Усовершенствованное сгорание в паровой фазе - RU2328519C2

Чертежи

Показать все 7 чертежа(ей)

Описание

Область техники

Данное изобретение относится к топливным композициям для реактивных, турбинных, дизельных и других систем сгорания. Более конкретно, оно относится к усовершенствованному сгоранию в паровой фазе металлов, неметаллов и их соединений, включая топливные композиции с добавками органических соединений марганца, к механическим и/или химическим средствам, способствующим улучшению сгорания и/или снижению температуры горения, посредством которых улучшается термическая эффективность и снижаются случайные потери.

Уровень техники

Известно, что различные органические соединения марганца, например трикарбонил метилциклопентадиенил марганца (ММТ) и другие, вводят в углеводородные топлива в качестве антидетонаторов [1-3]. Известно также, что органические соединения марганца используют в более тяжелых видах топлива, таких как уголь, дизельное топливо и авиационные топлива; предполагают, что это помогает уменьшить выделение дыма и твердых частиц [4-7].

Несмотря на преимущества использования органических соединений марганца в качестве антидетонатора и аналогичных добавок, их присутствие в углеводородных топливах порождает ряд других экологических и практических проблем. А именно при сгорании органических соединений марганца в углеводородных топливах образуются вредные тяжелые оксиды марганца (Mn₃O₄ и Mn₂O₃), которые, в свою очередь, осаждаются на деталях двигателя, систем сгорания, турбины, поверхностях выхлопного отверстия, катализаторах эмиссии/выхлопа и т.д., вызывая, например, ранние усталостные явления, разрушения, чрезмерный износ, выделение твердых частиц или металлов, медленное снижение эмиссии углеводородов и тому подобные явления [8-12].

Например, осаждение оксидов марганца на реактивных двигателях, турбинах и др. в течение длительного времени было главным препятствием для использования марганца. Поскольку эти отложения оказывают отрицательное действие, были разработаны различные методы специально для удаления этих оксидов с реактивных двигателей [13-16]. Однако вследствие их неэффективности использование марганца в этих применениях было практически прекращено.

Известно также, что такие осадки создают диффузионный барьер на поверхности катализатора, что снижает каталитическую эффективность [17].

Компанией Ethyl Corporation были затрачены большие усилия в течение 1970-х и 1980-х годов, чтобы найти решение этой проблемы. В том числе было испробовано использование различных кислородсодержащих соединений в сочетании с органическими соединениями марганца [18-30]. Однако, несмотря на насущную необходимость, не удалось успешно перевести на коммерческую основу какое-либо из технологических решений этой фундаментальной проблемы.

Известно, что органические соединения марганца, даже при очень низком уровне, вызывают разрушение системы контроля выхлопа США, и чтоих использование в любом количестве официально запрещено в неэтилированных бензинах в США.

Ethyl Corporation не удалось добиться у Агентства по охране окружающей среды изъятия ММТ под § 221 (f) из Акта по чистому воздуху даже для очень низких концентраций марганца порядка 0,008 г/л (1/32 г/гал) (запрещено 8 января 1992).

Все их предшествующие усилия, в том числе для концентраций марганца в интервале от 0,004 (1/64) до 0,03 (1/8) г/л (г/гал) завершились неудачей. См. RE Запрет Агентства по защите окружающей среды по использованию ММТ, Федеральный перечень, т. 43, N 181, понедельник, 18 сентября 1978 г., а также: Ethyl Corporation; Запрет на применение в области топлива; аннотация решения. Федеральный перечень, т. 46, N 230, вторник, 1 декабря 1981 г. [31-32].

Недавно производители автомобилей вновь рассмотрели вопрос о склонности марганца образовывать вредные оксиды, так как даже при очень низких концентрациях порядка 0,008 г/л (1/32 г/гал) марганца новая система диагностики катализатора, известная как "Монитор эффективности катализатора OBD-11", выходит из строя из-за осаждения оксида на (чистую) поверхность катализатора [33-35].

Таким образом, компетентные источники, продолжая признавать длительный официальный и экологический запрет ММТ, в общем отказались от представления, что когда-нибудь марганец будет включен в регулируемые не этилированные бензины и в эмиссионные системы.

Даже Ethyl Corporation (единственный производитель ММТ) из-за необходимости реального решения проблемы уменьшения или регулирования образования вредных оксидов, по-видимому, отказалась бы принять разрешение, если бы оно и было когда-нибудь дано; это было бы возможно только для очень низких концентраций (например, до 0,008 г/л (1/32 г/гал) марганца; а покрытие на поверхности катализатора образуется даже при этих низких концентрациях. См. последнее заявление Ethyl Corporation § 211 (f) на отмену запрета и Заявления Агентства по охране окружающей среды США 92302679.3; 91306359.0; 91306360.8 и 92307609.5 (зарегистрированные одновременно с попыткой получения разрешения на применение).

Известно использование в качестве присадки к топливу широкого класса растворимых карбонатов (см. Патент США 2,331,386, изданный в 1939 г. до материалов по оксиду марганца [36]). Этот патент описывает широкий ряд алкил-, гомологических алкил-, арил и амидкарбонатных эфиров для использования в печах, работающих на нефти, и в двигателях внутреннего сгорания.

В дальнейшем упоминание карбонатов обнаруживается в основном в связи с топливами или составами, не содержащими металла/марганца. Например, в литературе [37-39] рассмотрены не содержащие металла алкил-карбонаты в топливах типа газойля для двигателей с компрессионным зажиганием, дизелей и реактивных двигателей.

В литературе [40] использован алкилфенилкарбонат в качестве антидетонатора. В данной публикации, наряду с вышеупомянутыми проблемами, связанными с образованием оксидов из органических соединений марганца, также отмечено, что состав не должен содержать органических соединений марганца.

Поскольку, с одной стороны, специалисты оставили надежды разрешить фундаментальные проблемы, связанные с оксидами, полученными из органических соединений марганца, и, с другой стороны, марганец разрешен только в этилированных бензинах США, на практике применение ММТ не отделялось от применения свинцовых присадок (см., например, литературу [41], в которой рассмотрен тетраэтилсвинец, тетраметилсвинец и циклопентадиенил трикарбонил марганец совместно в одном контексте, при отсутствии допущения об их использовании независимо друг от друга).

В настоящем изобретении рассмотрен новый класс высокоэнергетических низкотемпературных составов и процессов.

Сущность предложенного изобретения заключается в обнаружении причины возникновения проблемы окисления тяжелых металлов и ее решении путем использования средств, препятствующих выделению оксидов тяжелых металлов при сгорании металлов.

Заявитель обнаружил механизм, по которому при сгорании топлив, содержащих металлы, включая органические соединения марганца, образуются вредные оксиды марганца в виде частиц или осажденного слоя, причиной чего является недостаточно приближенный к идеальному процесс сгорания, в котором скорости сгорания и температуры не оптимальны.

Путем эффективного увеличения скорости сгорания топлива при одновременном идеальном понижении температуры сгорания изобретение позволяет не только регулировать или избегать образования вредных металлических оксидов, но и реализовать возможность создания на основе металлов (исключая свинец) нового чистого высокоэнергетического класса топлив/горючих и процесса сгорания.

В сущности, в изобретении предложен процесс сгорания, в котором участвуют некоторые химические структуры/подструктуры и/или механические структуры/подструктуры, что позволяют одновременно 1) увеличить скорость горения, 2) поддерживать высокую интенсивность испускания того, что может быть известно как свободная энергия, при 3) понижении температуры горения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1. Различие температур горения. Иллюстрирует разницу температур горения различных составов топлива, измеренную относительно температур выхлопных газов при различных нагрузках на двигатель.

Фиг. 2. Температуры сгорания и выделение углеводородов. Иллюстрирует разницу в температурах горения и ее соотношение с образованием выделяющихся углеводородов.

Фиг. 3. Температуры горения и выделение NO_x. Иллюстрирует разницу в температурах горения и ее соотношение с образованием выделяющихся NO_x.

Фиг. 4. Индицированные скорости горения. Иллюстрирует скорость горения различных топлив при различных нагрузках.

Фиг. 5. Скорость горения и выделение НС. Иллюстрирует скорость горения и образование выделяющихся НС.

Фиг. 6. Скорость горения и выделение NO_x. Иллюстрирует скорость горения с образованием выделяющихся NO_x.

Фиг. 7. Технические прогнозы. Иллюстрирует изменение тепловыделения и улучшение горения бензина, обусловленное поддержанием минимальной температуры испарения для топлива, содержащего кислородные соединения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Благодаря тому что заявителю удалось выяснить причину образования оксидов тяжелых металлов, была решена связанная с ними проблема, в частности, путем увеличения скорости горения и/или снижения температуры горения, что и является сущностью настоящего изобретения.

В изобретении предложены способы и составы, которые ускоряют и улучшают процесс горения, позволяя достичь более оптимальных параметров и в то же время понизить температуры горения и расширить интервал горения.

Кроме того, в изобретении показано, что при этих улучшенных условиях горения сами соединения металлов совершенно неожиданно становятся неотъемлемым и мощным фактором в процессе сгорания, улучшая термическую эффективность горения, экономичность топлива, получаемую работу, мощность, тягу и т.д., одновременно снижая уровень опасных загрязнений.

В контексте данного изобретения заявитель в основном обращается к тепловому кпд в его как химическом, так и механическом значении, например к эффективности химической реакции и количеству полезной работы, производимой в системе, в частности свободной энергии.

Заявитель обнаружил, что фактически в каждом случае термическая эффективность (тепловой кпд), в частности, измеряемая в зависимости от чистой полезной работы, производимой системой, возрастает и часто очень существенно. В то же время благодаря пониженным температурам горения системы сгорания при этом работают более продолжительно, они легче в обращении, а оксиды тяжелых металлов не образуются.

Например, в изобретении неожиданно обнаружено, что термическая эффективность, достигаемая в изобретении, повышена по сравнению с существующими видами топлива и системами сгорания примерно на 2 - 20%. И в зависимости от обстоятельств (таких как система сгорания, структура топлива) среднее улучшение может составить от 2.0% до 5.0%, 5.0% до 10.0% или выше. В самом скромном случае улучшения составляют от 0.05 до 1.0% и до 2.0%. В исключительных случаях улучшение может составить от 10%, от 25% до 40%, от 30% до 80% или более.

Кроме того, в завершение Заявитель предполагает, что можно получить дополнительное улучшение, составляющее от 5% до 25%, или даже более, благодаря модификации систем сгорания и инжекции топлива, которые выполнены таким образом, чтобы оптимизировать уникальные особенности процесса горения, заявляемого в настоящем изобретении.

Заявитель предполагает, что это приведет к значительным улучшениям процесса горения и преобразования энергии на высоте в случае авиационных реактивных систем и авиационных бензиновых двигателей. Подобное же улучшение предполагается для широкого диапазона применений, например, дизелей, турбин, работающих на бензине, топливной нефти, газойле и т.д.

Основополагающими принципами реализации данного изобретения являются предложенные Заявителем методы сгорания, химия топлива, камеры сгорания, система инжекции топлива, подачи воздуха и эмиссионная система.

Заявитель неожиданно обнаружил синергизмих действия и разнообразные преимущества, которые дает использование этого изобретения, что будет подробнее описано ниже.

В описании изобретения представлены в различных вариантах исполнения новая конструкция, способ и/или работа двигателя, камеры сгорания, систем сгорания, инжекции, подачи воздуха и/или эмиссии, которые позволяют улучшить достигаемый в изобретении технический эффект, связанный с процессом сгорания.

В практической реализации данного изобретения предполагается одновременное действие одной или более из упомянутых систем, или независимое использование единичной системы, или компонента, или подкомпонента указанной системы. Кроме того, как вариант конструкции, такие структуры можно использовать независимо от предложенных Заявителем улучшенных видов топлива, что также позволит улучшить скорость горения и/или снизить температуру горения. Однако совместное использование этих систем приводит к синергизмуих действия, который не может быть достигнут другим способом.

В сущности данное изобретение заключается в увеличении 1) скорости горения в результате а) увеличения скорости ламинарного горения благодаря введению в состав топлива улучшающей горение структуры (УГС) и/или изменения процесса испарения, b) увеличения турбулентной скорости (химическими и/или механическими способами), 2) снижения температуры горения (химическими или механическими способами) в сочетании с использованием топлива на основе металлосодержащего компонента.

Таким образом, изобретение включает в себя многочисленные взаимосвязанные химические и механические элементы, и все они существенны для реализации изобретения.

Один из аспектов реализации данного изобретения заключается в использовании любого количества не содержащих свинца соединений металлов (исходно предпочитали циклические соединения марганца) в качестве компонента предложенного Заявителем состава топлива.

Однако использование металла не обязательно, как будет показано ниже. Так, в приведенном ниже описании с определенностью показана возможность альтернативных вариантов.

Предполагается, что можно использовать соединения/компоненты и/или химические и/или механические процессы, способы и средства, включая их сочетания и подсочетания, которые увеличивают скорость горения. Предпочтительно, но не обязательно, если одновременно снижается температура горения.

В практической реализации данного изобретения должно быть использовано кислородсодержащее соединение, желательно с максимально возможным содержанием кислорода. Содержание кислорода может быть в пределах от 0,0001 до 80% по массе. Это предписывается конкретным составом топлива и типом системы сгорания. Однако, по-видимому, положительный эффект не обнаружится до тех пор, пока содержание кислорода не достигнет 1,0%, 1,5%, 2,0% или более; более предпочтительны концентрации 2,0% или более. Однако приемлемы и меньшие концентрации при использовании кислорода в качестве компонента топливной смеси. Желательный интервал составляет от 0,001 до 30,0% кислорода по массе. Дополнительные массовые концентрации кислорода включают от 0,001 до 15,0%, от 0,5 до 1,5%, от 0,3 до 2,7%, от 2,0 до 3,7%, от 0,2 до 0,9%, от 1,0 до 4,0%, от 2,0 до 8,0%, от 1,8 до 12%, от 2,0 до 10,0%, от 3,0%, 5,0 до 40%, от 2,0 до 53%.

В чистом топливе и в ракетных применениях ожидается, что концентрация кислорода будет значительной. В первых вариантах использования смешанного топлива (см. ниже) концентрации будут ниже. Однако задачей изобретения является введение значительных концентраций кислорода в предложенные Заявителем виды топлива, особенно активного кислорода, который может быстро и агрессивно реагировать с металлом.

При осуществлении данного изобретения приемлемое увеличение скорости горения топлива по сравнению со скоростью горения нерегулируемого топлива или обычной системой сгорания составляет приблизительно от 1,0% до 800% или более. Желательно возрастание скорости на величину порядка 0,2%, 0,5%, 1,0%, 2, 0%, 3,5%, 5% до 10,0%, 7,0% до 15,0%, 9,0% до 25%, 5,0% до 20,0%, 12% до 30%, 15% до 40%, 20% до 50%. Более желательно возрастание в интервалах от 5% до 60%, 10% до 80%, 20% до 100%, 30% до 150%. Возможно увеличение на величину примерно от 100% до 200%, от 100% до 300%. Также предполагаются и весьма желательны увеличения от 200 до 400%, от 300 до 600%, от 400 до 800%, от 500 до 900%. Увеличение порядка 300% и более весьма желательно, особенно для топлива и систем сгорания, усовершенствованных Заявителем. Увеличение за пределами этих интервалов предполагается и желательно.

Различные химические средства также будут влиять на увеличение скорости горения и применение топлива. Одной из задач данного изобретения является оптимизация скоростей горения в свете химии топлива, систем сгорания, систем инжекции топлива и подачи воздуха, условий работы, желаемой термической эффективности и цены.

Увеличение скорости горения и/или снижение температуры горения будут изменяться в зависимости от изменения состава топлива, систем сгорания и механических систем.

В частности, предполагается, что коэффициенты сжатия, давление сжатия, давление зажигания, конструкция камеры зажигания, температура негорящей газовой смеси, эквивалентные соотношения, время зажигания, доля оставшегося газа, давление и время инжекции топлива, система подачи воздуха, входные температуры воздуха, системы выхлопа, катализаторы выхлопа, способы/системы теплообмена, системы смазки, системы охлаждения, и/или связанные с ними способы и/или устройства, включая их сочетания и/или подсочетания, могут быть видоизменены с тем, чтобы максимально извлечь их преимущества, усовершенствовать или произвести какие-либо иные улучшения в отношении скоростей горения и/или снижения температур горения.

Предполагается, что детонационно-чувствительные технологии могут использоваться в двигателях более высокого давления с искровым зажиганием, работающих на бензине, так как необходимо регулировать время искры для того, чтобы избежать детонации. Таким образом, предполагается, что предпочитаемые Заявителем двигатели с более высоким коэффициентом сжатия будут одновременно использовать детонационно-чувствительную технологию.

Предполагается, что ряд положительных эффектов данного изобретения не будет ощутим в полной мере до тех пор, пока не будет достигнут определенный порог действия. Например, как подробно показано ниже, преимущества повышенной экономичности топлива не смогут полностью проявиться до тех пор, пока двигатель не будет работать в условиях умеренной или умеренно большой нагрузки. Кроме того, в отсутствие других механических усовершенствований, например снижения МВТ искры, предложенного для бензинов, и т.д., нельзя получить все преимущества от изобретения.

Повышение парциального давления испарившейся фракции до и после зажигания особенно эффективное действие оказывает на улучшение скорости горения. Таким образом, характер испарившейся фракции до и после зажигания и их характеристики, связанные с диффузией тепла и активных реакционных центров в негорящем газе и т.п., являются определяющими и должны быть оптимизированы в качестве одной из задач данного изобретения.

Задачей данного изобретения является создание такой диффузии газов предкамерного горения до/после зажигания, которая приводит к увеличению импульса/вязкости невоспламенившегося газа до значения, по возможности максимально близкого к значению вязкости воспламенившегося газа с тем, чтобы снизить сопротивление вязкости между воспламенившимся и невоспламенившимся газом. Основной целью, которую преследует увеличение скорости горения, является именно устранение этого сопротивления.

Таким образом, желательно и предполагается испарение или инжекция или сжатие невоспламенившейся части пара топлива с тем, чтобы произошло увеличение его парциального давления (пара) в газовой смеси перед его воспламенением.

Кроме того, предпочтительны соединения/компоненты и/или механические и/или другие способы, которые увеличивают температуру и скорость газовой смеси внутри камеры сгорания после зажигания/перед сгоранием.

В том случае, когда топливо находится в парообразном состоянии, изменение его плотности не оказывает необходимого и непосредственного влияния на улучшение скорости горения. Другими словами, улучшение скорости горения в изобретении, по-видимому, не связано с видом топлива, если оно находится в испаренном и/или инжектированном в камеру сгорания состоянии, таким образом и с таким желательным размером частиц, которые предполагаются данным изобретением.

Таким образом, изменения состава во фракции пара, вызванные изменениями парциального испарения, сами по себе не дают заметного эффекта.

Скорость распространения пламени по отношению к невоспламенившемуся газу (на практике - остаточной газовой смеси топливо-воздух) является фундаментальным параметром, который непосредственно влияет на достижение цели, поставленной в данном изобретении. Так, максимизация элементарных реакций, которые протекают в пламени, и такой подбор возможностей массо- и теплопереноса различных частиц газа, входящих в состав топлива улучшенного горения (см. ниже), чтобы получить повышенную скорость горения, является специальной конструктивной задачей данного изобретения.

Как отмечено, одной из задач является увеличение скорости турбулентного горения, которая является функцией как термодинамических, так и турбулентных параметров. Турбулентность связана с конструкцией двигателя, конструкцией камеры сгорания, осуществлением инжекции топлива и рабочими параметрами двигателя, такими как эквивалентное соотношение и время существования искры.

Специальным аспектом реализации данного изобретения является увеличение турбулентной скорости горения путем увеличения ламинарной скорости горения, так как увеличение ламинарной скорости вносит свой вклад в турбулентные скорости.

Один из вариантов реализации данного изобретения заключается в увеличении ламинарной скорости горения путем изменения термодинамических факторов, включая (но не ограничиваясь ими) улучшение термической диффузии, характеристик топлива за счет усовершенствования его химического состава и структуры молекулярной цепи, модификации температуры испарения, модификации химии соединений УГС (см. ниже), модификации эквивалентных соотношений топлива, модификации подачи искры, снижения размера впрыскиваемых частиц топлива, модификации углов впрыскивания, давлений, давлений сжатия, улучшении подачи воздуха и т.д.

Другой вариант реализации заключается в увеличении турбулентности путем модификации формы и конструкции систем горения, камеры сгорания и/или также за счет скорости и/или направления газов, подаваемых в камеру сгорания, перед, во время и после сгорания, например, при использовании камеры предварительного сгорания.

Желательны также устройства, работа которых приводит к увеличению давления сгорания и/или давлению сжатия.

В случае двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием скорость пламени также пропорциональна скорости всасывания. Однако избыточные скорости всасывания могут существенно снизить количество топлива и воздуха, забираемое в цилиндр. Для того, чтобы получить высокую турбулентность без высоких скоростей всасывания, желательно иметь конструкцию камеры сгорания, которая обеспечивает турбулентность в конце компрессионного хода поршня. Предпочтительны турбулентные камеры предварительного сгорания, усовершенствованные системы смешения топлива с воздухом и другие средства.

Еще один вариант реализации данного изобретения заключается в использовании высоких скоростей всасывания для увеличения турбулентности, посколькухимия соединений УГС способна существенно возместить сокращение массы загрузки. Таким образом, турбонаддув и наддув являются специальными и предпочтительным исполнениями.

Специально предполагается использование таких систем сгорания, которые имеют пониженные требования к относительному октановому числу (ONR), или которые требуют пониженных коэффициентов сжатия, или которые позволяют использовать более высокие коэффициенты сжатия на топливах с данным октановым числом.

Желательно и предполагается использование химических и/или механических средств, включая, например, сенсорные системы на выхлоп кислорода (включая сенсоры EGO), которые регулируют эквивалентные соотношения топливо-воздух, что повышает ценность раздела данного изобретения, связанного со скоростью сгорания.

Как будет показано, существует много химических и механических средстви их вариантов, которые, будучи объединенными и использованными в соответствии с изобретением, позволяют решить поставленные в изобретении задачи.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ СНИЖЕНИЯ И ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ КИПЕНИЯ

Предложены дополнительные средства для снижения температуры горения и улучшения скоростей горения. Одним из таких средств является снижение конечной температуры кипения состава. Заявитель обнаружил, что путем уменьшения в топливе содержания углеводородов с более высокой температурой кипения, в том числе высококипящих алканов, ароматических углеводородов, цикланов, алкенов, или их исключения можно увеличить среднюю скрытую теплоту испарения топлива и исключить потери рабочего потенциала. Заявитель неожиданно обнаружил, что экономичность топлива возрастает.

Задача изобретения заключается в том, чтобы путем снижения и/или изменения температур испарения Т-90, Т-50 или Т-10 углеводородных компонентов топлив модифицировать или правильно подогнать нижележащие потоки углеводородов.

Таким образом, при снижении температур кипения, например конечной температуры кипения или Т-90, в сочетании с изобретением Заявителя, улучшаются температуры сгорания и/или скорость горения.

Преимущества топлив, кипящих в широком интервале температур, вытекают из снижения конечной температуры кипения, Т-90 и Т-50 и охватывают бензины, турбинные топлива типа газойля, топливную нефть, дизельные топлива и автомобильные бензины. В отношении топлив, кипящих в более узком интервале температур, применение изобретения ограничено.

Например, в кипящих в широком интервале температур фракциях керосина (дизельное, тяжелое дизельное топливо, газойль для турбин, реактивные топлива с широким интервалом фракций (Jet В, JP 4), топливные нефти, бензины и т.д.) снижение температур кипения при испарении топлива, особенно конечной температуры и/или Т-90, на величину от 2,8°С (5°Р) до 11,1°C(20°F), от 5,6°С (10°F) до 16, 7°С (30°F), от 11, 1°С (20°F) до 27,8°С (50°F), от 13,9°С (25°F) до 33,3°С (60°F), от 22,2°С (40°F) до 38,9°С (70°F), от 27,8°C(50°F) до 44,4°С (80°F), от 33,3°С (60°F) до 50,0°С (90°F), от 38,9°С (70°F) до 55,6°С (100° F), от 44,4°С (80°F) до 66,7°С (120°F), от 22,2°С (40°F) до 83,3°С (150°F), от 41,7°С (75°F) до 97,2°С (175°F), от 33,3°С (60°F) до 111,1°С (200°F), от 38,9°С (70°F) до 125°С (225°F), от 44,4°С (80°F) до 138,9°C (250°F), от 50, 0°С (90°F) до 152,8°C (275°F), от 55,6°С (100°F) до 155,6°С (280°F), от 61,1°С (110°F) до 166,7⁰C (300°F), от 66, 7°С (120°F) до 177,8°C (320°F), от 77,8°С (140°F) до 194,4°С (350°F) или более дает особенно значительный эффект в увеличении присущей топливу скрытой теплоты испарения, снижая температуры горения, увеличивая скорости горения и т.д.

Таким образом, в соответствии с одним из конкретных исполнений данного изобретения происходит снижение конечной температуры кипения и Т-90 для компонентов топлив, которые используются совместно с УГС или как самостоятельные виды топлива.

Еще один вариант исполнения данного изобретения позволяет снизить температуры Т-50, Т-10 таким образом, чтобы улучшить горение.

В практическом воплощении данного изобретения снижение конечной температуры кипения/Т-90 предполагается с использованием соединений металлов при отсутствии УГС соединений, посредством чего достигается снижение образования свободного углерода в первичных зонах камеры сгорания, снижение вредных выхлопов, снижение (или возможность контроля) осаждения оксидов марганца на поверхности катализатора выхлопа и т.д. В случае автомобильных топлив такое снижение Т-90 имеет тенденцию понижать VOC, выделение углеводородов и/или NO_x.

Совершенно неожиданно было обнаружено, что при снижении температур Т-90 бензина ниже 132,2°С (270°F) в сочетании с вводом небольших количеств марганца достигается существенное улучшение сгорания. Заявитель обнаружил, что экономичность топлива и/или пробег неожиданно улучшаются, даже если при снижении Т-90 были исключены компоненты, дающие большое количество тепла.

Очевидно, этот эффект ощутим и для топлива, и для компонентов, которые были удалены, и для компонентов, которые остались после снижения Т-90.

Пример 1

Способ увеличения экономичности топлива для транспортных средств, работающих на обычном или реформированном бензине, включающий снижение температуры кипения бензина так, чтобы его температура кипения Т-90 составляла не выше 132,2°С (270°F); введение ММТ в состав бензина в количестве до 0,008 г Mn/л (1/32 г/гал); сжигание указанного состава в работающем на бензине транспортном средстве; в результате чего экономичность топлива увеличивается на 0,5% или более.

Пример 2

Способ по Примеру 1, в котором экономичность топлива улучшается как по сравнению с чистым топливом, у которого не понижена температура Т-90, так и по сравнению с тем же топливом, содержащим ММТ.

Предпочтительный способ реализации снижения температуры кипения включает устранение высококипящих алканов; предпочтительны ароматические углеводороды, циклические соединения и алкены.

Желательно также проводить аналогичное снижение и/или регулирование температур Т-50 так, чтобы не ухудшить технические характеристики или выделение тепла.

Заявитель отмечает, что регулирование температуры кипения в среднем интервале особенно важно при использовании топлива, в состав которого входят кислородсодержащие соединения, особенно в карбюраторных системах.

В практике данного изобретения указанное изменение/регулирование температуры кипения улучшает сгорание и/или характеристики топлива с позиций скорости сгорания.

Если используются кислородсодержащие соединения в количестве, превышающем 0,5% кислорода по массе в топливе, особенно в реактивных двигателях, температуры среднего интервала должны составлять примерно от 71, 1/76, 7/82,2°С (160°F/170°F/180°F) до 96,1°С (205°F). Температуры среднего интервала за пределами этого диапазона, по-видимому, будут менее эффективны.

В изобретении обнаружено также, что при использовании как фактора снижения температуры Т-90, так и фактора регулирования температуры среднего интервала, марганецсодержащее топливо (в отсутствие кислородсодержащих соединений) позволяет максимально реализовать преимущества сгорания, например улучшает экономичность топлива, сокращает образование оксида марганца и/или улучшает тепловыделение.

Кроме того, введение кислородсодержащих соединений повышает этот положительный эффект. Чем лучше УГС кислородсодержащее соединение, тем выше положительный результат.

Заявитель отмечает, что автомобильные двигатели и топлива в дальнейшем будут модифицированы так, чтобы достичь еще лучшего результата в отношении работы и выделения энергии, соответственно. Заявитель предполагает в будущих применениях даже более низкие значения Т-90 и температуры кипения среднего интервала.

Пример 3

Состав топлива, в котором снижение конечной температуры кипения и/или температуры Т-90 приводит к возрастанию средней скрытой теплоты испарения.

Пример 4

Пример 3, в котором тепловой эффект сгорания или экономичность для содержащего марганец топлива, имеющего температуры Т-90, сниженные до 132, 2°С (270°F) или менее, улучшены по сравнению с тем же топливом с неотрегулированными температурами Т-90.

Пример 5

Пример 4, в котором температура Т-90 топлива ниже 137,8°С (280°F), более предпочтительно ниже 132,2°С (270°F), a MMT включен в количестве 0,008 г Mn/л (1/32 г/гал), где экономичность топлива выше, чем у такого же неотрегулированного топлива, более чем на 0,2%.

Пример 6

Состав из Примера 5, в которой снижено выделение токсических веществ и/или NO_x.

Пример 7

Состав топлива из Примера 5, в котором ММТ содержится в количестве 0,008 г Mn/л (1/32 г/гал) или менее, при этом экономичность топлива улучшена на 0,2% (предпочтительно 1,0%, 1,55% или более).

Пример 8

Состав топлива из Примера 7, в котором используется кислородсодержащее соединение УГС с избыточным содержанием 0,5% по массе, для работы в струйных автомобильных двигателях, в котором температура среднего интервала бензина составляет от 76,7°С приблизительно до 96,1°С.

Пример 9

Состав из Примера 8, в котором содержится УГС соединение в концентрации, достаточной, чтобы увеличить среднюю скорость сгорания композиции дополнительно на 5,0% или более по отношению к величине для состава без добавок, измеренной с помощью ламинарной горелки Бунзена.

Пример 10

Состав из Примера 9, в котором добавлено УГС соединение в количестве, достаточном для снижения средних температур сгорания, измеренных при нагрузке по меньшей мере 20 индикаторных лошадиных сил (ИЛС), на 13,9°С (25°F).

Заявитель отмечает, что этот аспект изобретения (добавление УГС соединений с или без соединения металла) в применении к бензинам особенно эффективен, когда температуры Т-90 равны или ниже приблизительно 148,9°С (300°F), 137,8°С (280°F), 132,2°С (270°F), 126,7°С 260°F), и желательно, чтобы температуры Т-50 были в интервале приблизительно от 71,1°С (160°F) до 96,1°С (205°F) или же от 76,7° С (170°F) до 96,1°С (205°F), от 82,2°С (180°F) до 96,1°С (205°F), или же от 71,1°С (160°F) до 87,8°С (190°F) или от 71, 1°С (160°F) до 82,2°С (180°F) (особенно в более поздних применениях).

Использование регулирования температур среднего интервала вообще применимо для всех видов топлива, кипящих в широком температурном диапазоне.

МОДИФИЦИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ СГОРАНИЯ

В практической реализации данного изобретения предпочтительно снижение температурного интервала горения от 5,6°С (10°F) до 277,7°С (500°F). Желательно снижение от 13,9°С (25°F) до 27,8°С (50° F) и более. Желательно также снижение порядка 55,6°С (100°F) и более. Снижения от 2,8°С (5°F) до 8,3°С (15°F); от 5,6°С (10°F) до 13,9°С (25°F); от 8,3°С (15°F) до 16,7°С (30°F); от 11,1°С (20°F) до 22,2°С (40°F); от 13,9°С (25°F) до 25,0°С (45° F); от 16,7°С (30°F) до 27,8°С (59°F); от 19,4°С (35°F) до 33,3°С (60°F); от 22,2°С (40°F) до 30,6°С (50°F); от 25°С (45°F) до 33,3°С (60°F); от 27,8°С (50°F) до 36,1°С (65°F); от 30,6°С (55°F) до 41,7°С (75°F); от 36,1°С (65°F) до 41,7°С (75°F)7 от 38,9°С (70°F) до 52,8°С (95°F); от 47,2°С (85°F) до 58,3°С (105°F); от 55,5°С (100°F) до 66,7°С (120°F); от 61,1°С (110°F) до 77,8°С (140°F); от 55,5°С (100°F) до 72,2°С 130°F); от 61,1°С (110°F) до 83,3°С (150°F); от 66,7°С (120°F) до 88,9°С (160°F); от 83,3°С (150°F) до 138,9°C (250°F); от 138,9°C (250°F) до 250°С (450°F); от 111,1°С (200°F) до 277,8°C (500°F); от 166,7°C (300°F) до 333,3°C (600°F); от 111,1°С (200°F) до 444,4°C (800°F); от 222,2°C (400°F) до 555°С (1000°F); от 166,7°С (300°F) до 500°С (900°F); от 277,8°C (500°F) до 1111,1°С (2000°F); от 333,3°С (600°F) до 1388,9°C (2500°F) С или более желательны, особенно при одновременном возрастании скорости горения. Снижения за пределами вышеприведенных интервалов в полной мере допускаются, особенно с возрастанием в составе топлива объемного процента предложенных Заявителем соединений, улучшающих горение (см. ниже).

В случае бензина снижение температуры выхлопных газов приводит к увеличению мощности и/или к снижению входных температур катализатора выхлопа. В частности, одним из аспектов данного изобретения является то, что входная температура катализатора выхлопа должна быть снижена с тем, чтобы избежать забивания катализатора. Следовательно, однойиз задач является снижение входных температур катализатора примерно до 760°С (1400°F) или менее, 732°С (1350°F), 704,4°С (1300°F), 767,7°С (1250°F), 648,9°С (1200°F), 621,1°C (1150°F), 593,3°С (1100°F), 565,6°C (1050°F) или менее, или до другой температуры, достаточной для того, чтобы обеспечить приемлемую каталитическую активность и в то же время избежать возможной блокировки за счет осаждения слоя оксида марганца.

Эта возможность также рассматривается, даже при низких концентрациях металла в топливе. Как отмечено, при самых низких уровнях содержания марганца - до 0,008 г/л (1/32 г/гал), имеется несомненная очевидность того, что поверхность с нанесенным тонким слоем катализатора покрывается небольшим количеством оксидов марганца. Это количество марганца в покрытии связывает кислород и вызывает ложные показания на расположенном далее по ходу потока кислородном сенсоре (известном как монитор эффективности катализатора OBD-11), созданном для того, чтобы обнаруживать отсутствие кислорода в выхлопных газах после катализатора. К несчастью, осадки оксида марганца, захватывая кислород из выхлопных газов, действуют так, что маскируют истинную эффективность катализатора. Другими словами, OBD будет показывать неправильную эффективность катализатора из-за способности марганца удерживать кислород. Таким образом, наличие покрытия оксида марганца дополнительно вызывает неисправность мониторов OBD.

Таким образом, регулирование температуры горения при отсутствии других аспектов изобретения Заявителя предполагается как средство контроля наличия тонкопленочных осадков при низких концентрациях марганца.

Пример 11

Способ устранения блокировки или покрытия катализаторов выхлопа оксидами марганца, который включает добавление УГС топлива с высокой скрытой теплотой испарения (в достаточном количестве) к обычному неэтилированному бензину или бензину, имеющему усовершенствованный состав, содержащему 0,008 г/л (1/32 г/гал) или более марганца в виде ММТ, в котором температуры сгорания упомянутого топлива и выхлопа снижены достаточно для того, чтобы входная температура выхлопного газа на катализаторе составляла менее 760°С (1400°F), более предпочтительно менее 648,9°С (1200°F).

Пример 12

Способ устранения блокировки или закрытия катализатора выхлопа оксидами марганца, включающий: модификацию Т-90 температур бензина для снижения температуры горения топлива, содержащего низкие концентрации марганца, в котором указанные температуры горения топлива и выхлопных газов существенно снижены, так, чтобы входная температура выхлопного газа на катализаторе была менее 760°С (1400°F).

Заявитель обнаружил, что снижение температуры в более высокотемпературных системах будет более значительным.

Пример 13

Топливо и система сгорания, отличающиеся тем, что указанная система сгорания, в которой используется указанное топливо, содержит улучшающее горение количество СМТ и химические средства для снижения температур сгорания, одновременно увеличивающие скорость сгорания, посредством чего снижаются температуры сгорания по меньшей мере на 5,6°С (10°F); 13,9°C (25°F); 27,8°C (50°F), а скорость воспламенения увеличивается по крайней мере на 10% таким образом, что экономичность топлива при нагрузке в пределах от 14 до 24 ИЛС возрастает по крайней мере на 5,0% (пример подтверждается непосредственно данными испытаний, представленными на Фиг. 1 и 4, где фактическое снижение температуры приближается к 40°С (72°F), а экономичность топлива возрастает на 20-30%).

Пример 14

Топливо и система сгорания из Примера 13, где средством снижения температуры и увеличения скорости горения является диметилкарбонат, а концентрация металла составляет от 0,003 (0,01) до 0,05 (3/16) г Mn/л (г Mn/гал) трикарбонила метилциклопентадиенила марганца.

ХИМИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА

Было однозначно установлено, что некоторые особенности горения на молекулярном уровне определяют быструю диффузию тепла и активных реакционных центров в негорящих газах, включая быструю диффузию негорящих газов перед фронтом пламени, что приводит к возрастанию скоростей горения. Такие молекулярные структуры включают (но не ограничиваются этим) Н, Н₂, О, О₂, СО, F, F₂, F₃, N, В, Be, ВО, В₂, BF, Al, AlO, СН₃, NH₃, СН, С₂Н₂, С₂Н₅, Li, ONH (нитрозил), NH (имид), NH₂ (амид), ОСН₃ (метоксирадикалы), ОС₂Н₅ (этоксирадикалы), ОСН, ОСН₂ и ОН (гидроксилрадикалы). Дополнительные химические структуры, которые, как предполагают, способны дать положительные результаты, включают Cl, ОСОО, СООН (ацетат), CH₂H₅OOC, СН₃СО, ОСН₂О, ОСНСО и CONH₂.

Предпочтительно, чтобы эти радикалы во время горения были нестабильны, обладая свободным или неиспользованным валентным электроном, который может вступать в химическую связь. Весьма желательно, чтобы они действовали как переносчики цепи в основной цепной реакции горения, особенно в сочетании с соединением металла. Предпочтителен процесс горения, при котором образуются диссоциированные и нестабильные молекулы и атомы (например, ОН, CN, СН, NH и т.д.), последующая повторная ассоциация которых обеспечивает непрерывное горение и увеличивает скорость выхлопа.

Заявитель обнаружил, что теплота образования предпочитаемых им свободных радикалов относительно низка. Приемлемая величина теплот образования указанных свободных радикалов обычно меньше чем 150, 100, 75, или 50 ккал/моль. Теплоты образования могут составлять также 34 (СН₃), 26 (С₂Н₃), 9,3 (ОН), 2,0 (СН₃О) ккал/моль. Предполагается, что отрицательные теплоты образования также приемлемы.

Для химических соединений, содержащих указанные свободные радикалы (УГС соединения) предпочтительна положительная или низкая отрицательная теплота образования. Приемлемые отрицательные интервалы включают значения, по абсолютной величине меньшие чем приблизительно -200, -180, -160, -150, -145, -130, -120, -100 ккал/моль, предпочтительнее, если они составляют меньше -90, -80, -75, -70, -65 ккал/моль, и наиболее предпочтительно, чтобы они составляли менее чем приблизительно -65, -55, -50, -45, -40, -35, -30, -20, -10 ккал/моль, или были положительными. Чем ближе к положительным значениям или чем выше положительное значение, тем лучше.

Желательно использование таких соединений УГС, которые легко разлагаются и/или диссоциируют, образуя значительное количество свободных радикалов при сжатии, раннем и/или нормальном зажигании или горении. Желательно, чтобы эта диссоциация происходила ниже нормального или на нормальном уровне горения и сжатия; или при (или вблизи) температур зажигания (если не рассматривается преждевременное зажигание). Желательно, чтобы диссоциация действовала так, чтобы негорящие пары быстро диффундировали впереди фронта пламени, увеличивая таким образом скорость горения.

Также особенно желательно, чтобы эта структура, например, ингредиенты возможных составов, включая отрегулированные топлива, и/или соединение УГС имели высокие значения скрытой теплоты испарения (энтальпии испарения), особенно значения, близкие или большие 28,0 кДж/моль. Значения энтальпий испарения (при температуре кипения) должны быть равны или больше чем 21, 22, 24, 26, 27, 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42, 43, 45 или более кДж/моль. Обычно чем выше, тем лучше.

Предпочтительны скрытые теплоты испарения (при 15,6°С (60°F)) равные или большие чем 41,7 (75); 55,6 (100); 77,8 (140); 83,4 (150); 89 (160); 111,2 (200); 139 (250); 167 (300); 195 (350); 222,4 (400); 250,2 (450); 278 (500) кал/кг (БТЕ/фунт) или более. Обычно предпочтительно, чтобы скрытая теплота испарения соединений УГС была по крайней мере такой же, а более предпочтительно - чтобы она на 5,0%, 10%, 25%, 50%, 75%, 100%, 150%, 200%, 250%, 300% или более превышала величину для любого топлива сравнения или для топлива, к которому это соединение может быть добавлено. Обычно, чем выше, тем лучше.

Заявитель обнаружил, что чем выше относительная разность, тем в большей степени, например, может быть охлаждена доза забранного топлива, и тем выше улучшение объемной эффективности.

Молекулярная структура, дающая высокую скрытую теплоту и/или повышенную скорость горения и т.д., а именно структура, вызывающая немедленно высокую кинетическую диффузию невоспламенившегося пара горючей смеси и т.д., и/или, с другой стороны, действующая в процессе горения так, чтобы увеличить скорость горения (и скорость выхлопа), и/или снизить температуры горения (и/или выхлопа), в дальнейшем обозначается как "Улучшающая Горение Структура, или УГС". Соединения, содержащие подобные структуры, обозначаются как УГС соединения. Так, отрегулированные топлива, составленные с получением увеличенных значений латентной теплоты испарения или скорости сгорания, путем подбора температур кипения, компонентов и т.п., также называются улучшающими горение структурами.

Предпочтительно, чтобы УГС соединения быстро разлагались при температурах, слегка или умеренно превышающих температуру зажигания, но ниже температур горения. В то же время предполагается разложение при более высоких или даже более низких температурах, включая величины ниже температуры зажигания. Однако при использовании бензина следует избегать преждевременного зажигания. Предпочтительно, чтобы УГС соединения были термически стабильными при обычных температурах хранения и рабочих температурах приблизительно до 65,6°С (150°F) - 148,9°С (300°F), но легко разлагались при температурах, приближающихся к 148,9°С (300°F) - 426,7°С (800°F), 148,9⁰C (300°F) - 260°С (500°F), а более предпочтительно к 204,4°С (400°F) - 260°С (500°F). Однако разложение при температурах вне этих интервалов может происходить, например во время инжекции, сжатия или перед зажиганием, после зажигания и/или во время горения.

Предложенные Заявителем предпочтительные характеристики молекулярной цепи для органических соединений УГС предполагают ограниченное число атомов углерода в цепи, предпочтительно 3 или несколько атомов/ наиболее предпочтительно 2 или один атом углерода.

Примеры соединений, которые Заявитель определил как УГС-структуры и которые, вероятно, должны быть эффективны в достижении указанной цели, включают (не ограничиваясь этим списком): водород, окись углерода, метилендиметиловый эфир (также известный как метилаль, диметоксиметан), диметиловый эфир угольной кислоты (также известный как диметилкарбонат), диэтилкарбонат, метилтретбутиловый эфир (МТБЭ), этилтретбутиловый эфир (ЭТБЭ), метил-третамиловый эфир, метанол, этанол, пропанол, третбутиловый спирт, диметиловый эфир, другие спирты с низким молекулярным весом (от С₃ до C₆), диэтиленгликоль-диметиловый эфир, диэтиленгликольдиэтиловый эфир, диметиловый эфир, диэтиловый эфир, изопропиловый эфир, диизопропил, нитрометан, нитроэтан, нитропропан, окись азота, закись азота, двуокись азота, озон, вода, водяной газ, перекись водорода и другие подобные соединения. Заявитель предполагает, что существует много других соединений УГС, которые еще не выявлены.

Такие соединения в дальнейшем обозначаются как "соединения УГС", поскольку содержат УГС-структуры и/или обладают способностью во время процессов испарения/сжатия/горения/выхлопа вызывать образование указанных УГС-структур.

Заявитель подтверждает, что имеется значительное разнообразие в поведении и характеристиках соединений УГС, некоторые из которых могут действовать менее удовлетворительно, чем другие, или же в целом неудовлетворительно. Некоторые, например, могут быть очень эффективными в нерегулируемых авиационных, усовершенствованных реактивных применениях, дизельных применениях, но неприемлемыми для автомобильных двигателей. Следует осознавать, что различные соединения УГС будут вызывать различный эффект в одном и том же топливе и/или системе горения. Например, предполагается, что в некоторых применениях спирты будут приводить к более низким температурам горения и выхлопа, чем эфиры, из-за различий в скрытых теплотах испарения.

Соединения УГС могут быть твердыми, жидкими, газами и смесями, и могут принадлежать к спиртам, аминам, сложным эфирам, диэфирам, гликолям, простым эфирам, простым диэфирам, альдегидам, кетонам, эфирам гликолей, перекисям, фенолам, карбоновым кислотам, нитратам, динитратам, карбонатам, бикарбонатам и т.п.

Соединения УГС могут быть простыми и сложными эфирами, аминами и другими соединениями, содержащими карбоэтокси, карбометокси, карбонил, карбонилдиокси, карбокси, этоксалил, глиоксилил, метокси, метилендиокси, гликолил и/или гидроксил-компоненты и/или радикалы.

Дополнительные (не ограниченные этим списком) примеры соединений УГС включают этилен, пропилен, перекись третичного бутилцимила, бутилен, 1,2-бутадиен, 1,3-бутадиен, ацетиленовые углеводороды, включая ацетилен, аллилен, бутин-1, пентин-1, гексин-1; замещенные гидразины, включая метилгидразин, симметричный диметилгидразин, несимметричный диметилгидразин, гидразин; этан, пропан, бутан, диборан, тетраборан, пентаборан, гексаборан, декаборан, борогидрид алюминия, борогидрид бериллия, борогидрид лития, нитрат аммония, нитрат калия, азотную кислоту, азид аммония, перхлорат аммония, перхлорат лития, перхлорат калия, трехокись азота, двуокись азота, азотоводородную кислоту, дицианоген, синильную кислоту, моноэтиланилин, ацетилен, борогидрид алюминия, аммиак, анилин, бензол, бутилмеркаптан, диборан, диметиламин, диэтилентриамин, этанол, этиламин, этилендиамин, этиленоксид, этилнитрат, диметилсульфид, фурфуриловый спирт, гептен, гидразин, водород, изоэтилнитрат, изопропиловый спирт, литий, гидрид лития, метан, метилаль, метанол, метилнитрат, метиламин, метилацетилен, метилвинилацетилен, нитрометан, нитропропан, нитроглицерин, п-октан, пропан, окись пропилена, п-пропил нитрат, о-толуидин, триэтиламин, триметиламин, триметилтритиофосфит, скипидар, несимметричный диметилгидразин, ксилидин, 2,3-ксилидин, борогидрид лития, мо-нометилгидразин, пентаборан и т.п. Другими перспективными химическими веществами, выявленными Заявителем, являются ОНС(СН₂)₄СНО, СН₃СНОНСНОНСН₃, (СН₃)₃ССНОНСН₃, СН₂СН₂С(СН₃)(ОН)СН₃, (СН₃)₂СООН, СН₃СССОН, (CH₃)₃CCH₂COH, НОСН₂СН₂ОСН₂СН₂ОН, HOCH₂CH₂OH, OCH₂CHCHO, (CH₃)₃ССНО, (CH₃)₃ССН(ОН)СН₃, С₅Н₄O₂, HO₂ССН₂СН₂CO₂С₂Н₅ , С₃Н₇COCO₂Н, C₅H₈O₂ и другие.

Кроме того, предполагается, что некоторые соединения УГС будут работать в сочетании, и требуется помощь одного или более соединений УГС и/или необходимой механической структуры для того, чтобы удовлетворительно увеличить скорость горения и/или снизить температуры горения. Например, может быть необходимо снижение температуры горения некоторых повышающих скорость горения УГС путем добавления к ним спирта, карбоната и/или воды, например, путем раздельной инжекции. Предполагается, что между соединениями УГС существует некий синергизм, при этом возможности каждого из них увеличиваются.

Другой характерной особенностью предложенных Заявителем УГС соединений является их замечательная способность увеличивать скорость распространения пламени. Как правило, при горении в воздухе (в зависимости от собственного строения, при измерении на ламинарной горелке Бунзена) скорость распространения пламени должна быть равна или больше 40, 43, 45, 48, 50, 60, 65, 70, 75, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150, см/с. Скорости распространения пламени соединений УГС в присутствии соединений металлов в основном, как предполагается, должны быть больше, чем в их отсутствие.

Как указано выше, задачей является подбор составов получаемого топлива для достижения указанных скоростей сгорания.

Вообще предпочтительные скорости ламинарного распространения пламени должны превышать 55 см/с. Чем выше, тем лучше. Предпочтительно скорость распространения пламени любого УГС соединения, измеренная в ламинарном бунзеновском пламени, по меньшей мере на величину, составляющую от 0,05 до 1,5%, 1,0% - 3,0%, 2,0% - 4,0%, 3,0% - 6,0%, 5% - 10%, 7% - 20%, 8,0% - 30,0%, 10% - 40%, 15% - 60%, 30% - 200%, 50% - 300, или более, выше, чем у топлива, с которым это соединение смешивается.

Пример 15

Композиция после зажигания (перед горением), содержащая увеличивающее диффузию количество соединения УГС, посредством чего увеличивается скорость воспламенения.

Пример 16

Композиция пара перед зажиганием, содержащая увеличивающее диффузию количество УГС, посредством чего минимальная скорость распространения пламени составляет 60 см/с при минимальной энергии искры 0,2, предпочтительно 0,15, 0,10 или менее мДж.

Пример 17

Композиция Примеров 15 и 16, где увеличивающее диффузию количество пара УГС образуется из продукта разложения диметил-карбоната.

Пример 18

Композиция Примеров 15 и 16, где данная композиция является топливной композицией.

Таким образом, наиболее предпочтительны такие УГС соединения/компоненты, которые имеют вышеупомянутую структуру, улучшающую горение в высоких относительных концентрациях, и/или которые становятся промежуточным продуктом и/или исходной/до зажигания и/или существующей во время горения структурой/продуктом, особенно при вводе пара и/или в паре фазы сжатия и/или фазы горения, которые вызывают быструю диффузию фронта пламени и/или быструю диффузию невоспламенившихся паров и/или другие ускорения и/или улучшают горение.

Чем выше относительный объем улучшающей горение структуры (объемный процент в невоспламенившейся части пара), тем лучше.

Таким образом, реализация данного изобретения подразумевает использовать достаточное количество улучшающей горение структуры в паровой фазе для того, чтобы увеличить скорость диффузии. Предполагается, что изобретенные Заявителем диффузионные способы дополнительно включают средства, раздельно увеличивающие ламинарную и/или турбулентную скорости горения.

Соединения УГС предпочтительно должны быть растворимы в топливе, к которому они добавляются. Однако могут использоваться диспергаторы или другие средства, включая общие растворители. Наоборот, можно использовать нерастворимые или частично растворимые соединения УГС в виде эмульсий и/или другим образом, включая раздельную инжекцию и/или смешанные способы.

В практической реализации данного изобретения предполагается, что соединения УГС не обязательно должны содержать УГС структуры, если их использование или сочетания иным образом генерирует или вызывает образование УГС структур в процессе сжатия, зажигания и/или горения. Таким образом, в практической реализации данного изобретения предполагается, что соединения, которые приводят к образованию УГС в процессе горения, являются соединениями УГС.

Высокооктановые кислородсодержащие УГС соединения имеют тенденцию улучшать качество горения. Особенно предпочтительны соединения УГС с более высокой скрытой теплотой испарения, которые снижают температуры фазы компрессии, фазы после зажигания (перед зажиганием) и/или температуры горения.

Также желательны эмульсии или другие комбинации, включая содержащие УГС, особенно те, которые способны заставить капельки паровой фазы взрываться, или взрываться вне аэрозоля, или иным способом вызывать быструю диффузию паровой фазы. Такие образующие эмульсии соединения УГС включают (не ограничиваясь этим) воду, метанол, перекись водорода, масло из семян сурепки и т.п.

Предпочтительные соединения УГС должны быть относительно простыми по молекулярной структуре. В случае жидких видов топлива предпочтительны соединения УГС, которые не увеличивают до вредной степени давление пара или температуру вспышки основного топлива при нормальных условиях или рабочие температуры. Приемлемые значения давления пара смеси находятся в интервале от 3,44(0,5) до 344,7(50) кПа (фунт/дюйм²). Более желательны давления паров смеси в интервале от 3,44 (0,5) до 103,4 (15), 3,44 (0,5) - 82, 7(12), 3,44 (0,5) - 68,9(10), 3,44 (0,5) - 62 (9), 3,44 (0,5) - 55 (8,0), 3,44 (0,5) - 48,2 (7,0), или 3,44 (0,5) - 41,4 (6,0), или 3,44 - 34,5 (5,0), или от 3,44 до 20,7 (3,0) кПа (фунт/дюйм²), или менее. Индивидуальные интервалы давления пара включают 37,2 (5,4), 38,6 (5,6), 39,3 (5,7), 40,7(5,9), 42,0 (6,1), 43,4(6,3), 45,5 (6,6), 46,9 (6,8), 47,5(6,9), 48,9 (7,1), 49,6 (7,2), 51, 7 (7,5), 52,4 (7,6), 53,1(7,7), 55,8 (8,1), 57,2 (8,3) кПа (фунт/дюйм²).

Предпочтительно, если соединения УГС, применяемые непосредственно (в противоположность, например, раздельной инжекции) в жидких топливах, не увеличивали во вредной степени температуру вспышки основного топлива. Приемлемы соединения УГС, имеющие температуры вспышки свыше 10°С (50°F). Соединения УГС с температурой вспышки выше 26,7°С (80°F) желательны. Однако в наибольшей степени предпочтительны температуры кипения свыше 32,2 (90) - 65,6 (150)°C (°F), или даже 93,3°С (200°F). Однако, как и в случае давления пара, склонность соединений УГС снижать температуру вспышки может быть снижена с помощью подходящих способов, что предполагается в данном изобретении. Таким образом, вызванное этими соединениями повышение скорости горения и/или снижение температуры горения должно быть соразмерено с понижением температуры вспышки или возрастанием давления пара.

Предпочтительны соединения УГС, которые не вызывают коррозии и/или не вызывают вредного воздействия на герметики и эластомеры. Однако предполагается использование ингибиторов коррозии, если это необходимо. Например, можно применять ингибитор "DCL II", поставляемый фирмой Du Pont. Предполагается, что этот ингибитор следует использовать в концентрациях приблизительно от 20 до 30 ppm.

Предпочтительные соединения УГС, используемые в жидких топливах, должны иметь низкие температуры плавления, ниже 0°С (32°F) и предпочтительно ниже -17,8°С (0°F), или более предпочтительно ниже -40°С (-40°F) или ниже -50°С (-45,6°F), а наиболее предпочтительно ниже -62,2°С (-80°F). Более низкие температуры также предпочтительны. Однако можно использовать снижающие температуру добавки, такие как монометиловый эфир этиленгликоля, если это необходимо. Вызванное УГС соединением увеличение скорости горения и/или снижение температуры горения также следует соразмерять со снижением температуры плавления, чтобы она не стала ниже желательной.

Предпочтительно, хотя и не необходимо, чтобы УГС соединение не было токсичным, или по крайней мере не в высокой степени токсичным, или не связанным с вредностью. Предпочтительно также, чтобы это соединение можно было перекачивать при низких температурах, чтобы оно имело подходящие качества в отношении воспламенения, а также было термически стабильным в качестве добавки к топливу, хотя для корректировки плохой термической стабильности можно использовать соответствующие добавки.

Соединения УГС не обязательно должны содержать кислород. Однако предпочтительны УГС соединения, содержащие кислород. Желательны соединения, содержащие по меньшей мере 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45% или 50% или более кислорода по массе. Предпочтительны концентрации кислорода выше 25% по массе. Наиболее предпочтительны концентрации свыше 40%.

Количество кислорода, введенное в систему, имеет критическое значение для перспективных высокоскоростных применений. Предполагается, что обеспечивающие более высокие скорости, содержащие большее количество кислорода соединения УГС, особенно имеющие высокую скрытую теплоту испарения, представляют собой более предпочтительные соединения в перспективных применениях.

Пример 19

Способ создания композиции предкамерного сгорания на основе топлива, содержащего исключительно одно или более УГС соединений с высокой скрытой теплотой испарения, превышающей 111,2 (200) - 139,0 (250) кал/кг (БТЕ/фунт) при 20,6°С (60°F), более предпочтительно, превышающей 166,8 (300) кал/кг (БТЕ/фунт) при 20,6°С (60°F) (или эквивалентный стандарт, если это не жидкость); указанный способ включает испарение или инжектирование атомизированного соединения УГС, имеющего подходящий средний размер частиц (менее чем 70 микрон, а более предпочтительно менее 60 микрон) при соответствующем давлении в систему сгорания воздушно-реактивного двигателя, и подачу температуры, достаточной для того, чтобы вызвать воспламенение; в котором в ходе компрессии, перед зажиганием, в ходе зажигания, после зажигания, перед горением и/или в ходе горения, разложение топлива с выделением высокой кинетической энергии протекает полностью за счет улучшенного состава пара при горении, способного быстро диффундировать перед пламенем.

Пример 20

Способ Примера 19, в котором улучшенный состав пара в фазе сгорания представляет собой пар после зажигания перед горением с особенно высокой кинетической энергией.

Пример 21

Способ Примеров 19-20, в котором пар с высокой кинетической энергией имеет высокую скрытую теплоту испарения, превышающую 26, а предпочтительно 29-34, или более, кДж/моль (измеренную при температуре кипения).

Пример 22

Способ Примеров 19-21, в котором указанный горючий пар имеет ламинарную скорость горения, превышающую 48 см/с (55, 60, 65, 70, 80 или более, измеренную при нормальных условиях).

Пример 23

Способ согласно Примеру 19, где пар перед фазой сгорания является продуктом, полученным из диметилкарбоната.

Пример 24

Способ согласно 19-23, где в упомянутый горючий пар дополнительно вводится улучшающее горение количество высвобождающего большое количество энергии содержащего металл пара, имеющего высокую теплотворную способность (более чем 4000 ккал/кг, предпочтительно более чем 5000, 7000, 8000, 9000, 9800, 9900, 10000, 10200, 10400, 10500, 10600, 11000, 11500 ккал/кг; а более предпочтительно свыше 12000, 12500, 13000, 14000, 15000 ккал/кг, или более).

Пример 25

Способ согласно Примерам 19, 24, где упомянутый пар дополнительно содержит пар, полученный из содержащей углерод примеси к топливу, входящей в состав смеси, так что упомянутый содержащий углерод пар является основным паром по массе; посредством этого скорость воспламенения полученного пара возрастает по крайней мере на 5%, а температуры горения снижаются по крайней мере на 10°F по сравнению с одним лишь топливом, входящим в состав смеси.

Пример 26

Способ согласно 25, где пар примеси к топливу получают из заменителя жидкого топлива, водорода, нефтяного газа, сжиженного нефтяного газа, пропана и бутана из сжиженного нефтяного газа, природного газа, конденсата природного газа, метана, этана, пропана, н-бутана, пропан-бутановой смеси, топливного метанола, например топлива М 80, М 90 или М 85, топливного этанола, топлив из биомассы, топлив на основе растительных масел, автомобильного бензина, авиационных бензиновых топлив, включая сорта 80, 100, 100LL, обычных автомобильных бензинов, бензинов с усовершенствованной формулой, бензинов с низким давлением пара, бензинов с низким содержанием серы, керосина, топлив, кипящих в широком интервале температур, топлива для газовых турбин, авиационных турбинных топлив, включая JP-4, JP-5, JP-7, JP-8, JP-9, JP-10, TS, Jet A-1, Jet A, Jet В, авиационных бензинов для военных применений, ракетных топлив, твердых и жидких ракетных топлив, монокомпонентных и многокомпонентных топлив, двухкомпонентных ракетных топлив, газойля для турбинных двигателей, включая сорт 0-4, топлив для послойно загружаемых двигателей, дизельных топлив, включая сорт с низким содержанием серы No 1-D, сорт с низким содержанием серы No 2-D, сорт No 1-D, 2-D, 4-D и более старые сорта типа С-В, типа Т-Т, типа R-R, типа S-M; дизельных топлив с измененной формулой, топливной нефти, включая сорт 1, сорт 2, сорт 4 (легкий), сорт 4, сорт 5 (легкий), сорт 5 (тяжелый), сорт 6; тяжелых дизельных топлив для морского и железнодорожного транспорта, включая топлива, удовлетворяющие стандартам ISO DIS 8217 и BS МА 100; различных очищенных масел, легких содержащих циклические соединения газойлей, тяжелых масел, содержащих циклические соединения; тяжелых содержащих циклические соединения газойлей, вакуумных масел, керосинов, печных масел, угольных конденсатов, топлив SRC на основе угля, жидкостей, добываемых вместе с углем, угольной пыли, топлив из нефтеносного песка, сланцевых топлив, гидразина, ацетиленида аммония, и топлив, отвечающих спецификациям ASTM, сертификационным стандартам ЕРА, промышленным и/или государственным спецификациям, настоящим и будущим, включая их смеси.

Пример 26а

Способ Примеров 19, 25, 26, где пар базового компонента топлива замещает пар сгорания и где сгорание указанного пара приводит к работе двигателя в условиях средних или больших нагрузок, в результате чего экономичность топлива и/или тепловой кпд возрастает по сравнению с работой двигателя на одном базовом топливе на 0,5% - 20,0% или более (предпочтительно 2-30%).

Пример 27

Способ Примеров 19, 25, 26, где указанный состав пара дополнительно содержит по меньшей мере один пар детергента/диспергатора, очищающего двигатель, карбюратора и/или индукционную/инжекционную систему, включая промышленно выпускаемые производные двухосновных кислот с длинной цепью (например сукцинимиды, такие как HiTec 4450), алифатические полиамины с длинной цепью (например, полиизобутенил полиамин), или основания Манниха с длинной цепью, и/или беззольные моющие средства, включая амины полиэфиров, полиалкенил амины, алкенилсукцинимид, полиэфир амид амин, их смеси, а также антиоксидант, деэмульгатор, эмульгатор - ингибитор коррозии, ароматический растворитель, раскислитель, разбавитель, общий растворитель, пассиватор металла иих смеси.

Пример 28

Способ Примеров 19-27, где указанный пар подвергают горению в двигателе или камере сгорания, выбранных из группы, состоящей из ракетных двигателей, двигателей с циклом Брайтона, турбин, работающих на газойле, авиационных реактивных турбин, дизелей, морских, железнодорожных, авиационных газовых двигателей, автомобильных двигателей, нефтяных печей, печей, работающих на мазуте, газовых печей, двигателей внутреннего сгорания, двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием, двигателей внешнего сгорания системы Стирлинга или Ранкина, двигателей с циклом Отто, или каталитических систем.

ПРАКТИКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ

Наиболее предпочтительные концентрации металлов определяются химией топлива, факторами горения и рабочей системой. Например, возможно, что при работе импульсных систем двигателей, таких как ракетные двигатели, на большой высоте потребуются значительные концентрации. При использовании предпочтительных количеств металлов, предлагаемых в данном изобретении, горение улучшается и/или загрязняющие факторы снижаются. Таким образом, в зависимости от системы сгорания, температуры сгорания, скорости горения, факторов инжекции топлива, содержания кислорода и т.п., в значительной степени могут изменяться содержащие металл соединения и их относительные концентрации.

В практической реализации изобретения содержащие металл соединения могут быть топливом или его составляющей. Так, содержание водорода в металлсодержащем соединении должно быть максимизировано до возможной степени. Желательно использование гидридов металлов или подобных им соединений.

Особенностью является то, что сжигание металлсодержащего соединения в соответствии с изобретением происходит в паровой фазе, а не в процессе горения на поверхности металла или внутри расплавленного слоя оксида, покрывающего металл. Предложенное в изобретении сжигание в паровой фазе характеризуется высокой скоростью горения и наличием светящейся реакционной зоны, которая распространяется на некоторое расстояние от поверхности металла, и образованием частиц оксида на субмикронном уровне.

В соответствии с изобретением предпочтительно, чтобы температура кипения оксида металла была выше, чем температура кипения металла. Предпочтительно также, чтобы металл поступал в камеру сгорания в виде пара, однако допустимо введение в твердом виде или иным способом, если при этом реализуются поставленные выше цели. При использовании твердого топлива предполагается, что металл может быть введен в твердом виде и смешанным способом - в виде как твердого вещества, так и жидкости.

Предпочтительно, чтобы температуры сгорания были больше, чем температура кипения металла.

Было обнаружено, что более высокие массовые концентрации кислорода в составе топлива, особенно при использовании предложенных в изобретении улучшающих горение соединений, позволяют применять более высокие концентрации металла. Обычно чем выше средняя плотность топлива, тем выше допустимые концентрации металла.

Заявитель обнаружил, что более высокие концентрации марганца обычно приводят к более высокому выделению тепла. Но нельзя сказать, что здесь нет верхнего предела. Верхний предел определяется термодинамическими параметрами сгорания.

Концентрации марганца могут существенно меняться, например, от 0, 0003 г/л (0,001 г/гал) до свыше 1,98 (7,50), от 0,0003 (0,001) до свыше 2,64 (10,00), от 0,0003 (0,001) до свыше 3,96 (15,00), от 0,0003 (0,001) до свыше 5,28 (20,0), от 0,0003 (0,001) до свыше 7,93 (30,00), от 0,0003 (0,001) до свыше 13,2 г/л (50,00 г/гал) или более. В некоторых применениях могут быть желательны концентрации выше, чем 0,04 г/л (1/32 г/гал), 0,02 (1/16), 0,07 (1/4), 0,13 (1/2), 0, 20 (3/4), 0,26 (1), 0,40 (1,5), 0,53 (2,0), 0,66 (2,5), 0,69 (2,6), 0,71 (2,7), 0,74 (2,8), 0,77 (2,9), 0,79 (3,0), 1,32 (5,0), 1,98 (7,5), 2,64 (10,0), 3,96 (15), 5,28 (20), 6,60 (25), 6,87 (26), 7, 13 (27), 7,93 (30), 8,72 (33), 9,25 (35) или 10,57 (40). В ракетных топливах концентрации металла/марганца могут быть порядка 26,4 г/л (100 г/гал), 52,8 (200), от 52,8 (200) до 132,1 (500), 158,5 (600), 211,4 (800) до 264,2 (1000) г/л (г/гал), особенно в условиях самовоспламенения.

Однако для наиболее традиционных применений интервал концентраций марганца может составлять, например, около 0,0003 (0,001) г/л (г/гал) - 1,32 (5,00), 0,0003 (0,001) - 0,79 (3,00), 0,0003 (0,001) - 0,53 (2,00), 0,0003 (0,001) - 0,26 (1,00), 0,0003 (0,001) - 0,13 (0,50), 0,0003 (0,001) - 0,099 (0,375), 0,0003 (0,001) - 0,07 (0,25), или даже 0,0003 (0,001) - 0,03 (0,125), или даже 0,0003 (0,001) - 0,017 (0,0625).

В случае бензинов особенно желательны концентрации марганца свыше 0,008 г/л (1/32 г/гал), 0,017 (1/16). В случае дизельного топлива предполагаются концентрации марганца выше 1% от веса топлива или приблизительно 6,6 г/л (25 г/гал) - 8,72 (33).

Интервалы могут изменяться также в зависимости от массы топлива, законодательных актов, прогресса технологий и степени модификации системы сгорания с тем, чтобы реализовать преимущества изобретения в отношении получения высокой энергии. Интервалы для других соединений металлов, использование которых предполагается в данном изобретении, будут сходны с интервалами для марганца, однако будут зависеть также от природы металла.

Предложенные в настоящем изобретении топлива будут содержать такое количество соединения, содержащего марганец, или других, не содержащих свинца соединений, которое обеспечивает улучшение горения в соответствии с составом топлива, системой его сгорания, желаемыми эффективностями, соображениями законности и/или защиты окружающей среды.

Однако вполне допускается, что в некоторых областях применения изобретения топливо может не содержать металлов. Иными словами, предложенное в изобретении повышение скорости горения и/или снижение температур горения может быть использовано также в отношении топлив, не содержащих металла (например, водорода, азота, фосфора, брома, иода, серы, фтора, хлора), за исключением тех случаев, которые из-за их химии горения и/или условий работы требуют рискованного снижения эмиссии и/или улучшения экономичности топлива.

Один из примеров реализации данного изобретения предполагает замещение или комбинирование различных соединений металлов (например, путем смешивания их), включая замену или смешивание различных соединений металлов, принадлежащих к различным классам, или к одному и тому же классу, или замену или смешивание металлов из одной и той же группы или подгруппы с каким-либо другим металлом или металлом из другой группы. Заявитель предполагает большое разнообразие и широкие возможности замены и/или смешения, включая соотношения смешения, ингредиенты смешения и т.д. [42-44].

Таким образом, в частности, предполагается, что не содержащие свинца металлоорганические соединения, не содержащие свинца неорганические соединения металлов и/или связанные с ними соединения, выделяющие большое количество тепла, могут быть смешаны в различных пропорциях и/или заменены один на другой и/или заменены любым не содержащим свинца соединением металла или неметалла (органическим или неорганическим), способствуя достижению цели данного изобретения.

Предполагается, что предложенные в изобретении металлы могут быть смешаны с одним или более металлов или неметаллов в различных соотношениях для достижения синергического улучшения выделения тепла, скорости горения, теплового кпд, эмиссии, генерируемой мощности и т.п.

Предполагаемые соединения металлов включают все не содержащие свинца металлы, некоторые элементы, включая неметаллы (далее называемые "металлы/соединения металлов") и их соответствующие соединения, продукт сгорания которых имеет высокую отрицательную теплоту образования. Предполагаемые металлы должны иметь высокие теплоты сгорания или теплотворную способность, предпочтительно выше 3000, 4000, 5000 или 6000 ккал/кг. Предпочтительны значения свыше 9000 - 10000 ккал/кг. Более предпочтительны значения выше 11000 - 13000, 14000, или выше, ккал/кг.

Предпочтительные отрицательные теплоты образования, например, соответствующих оксидов металлов, должны превышать по абсолютному значению -150000 кал/моль. Более предпочтительны значения -200000, -225000, -275000, -300000, -350000, -400000 кал/моль и выше.

Желательно, чтобы элементарный металл имел по возможности более низкую молекулярную массу. Примеры подходящих металлов включают (не ограничиваясь этим), алюминий, бор, бром, висмут, бериллий, кальций, цезий, хром, кобальт, медь, франций, галлий, германий, иод, железо, индий, литий, магний, марганец, молибден, никель, ниобий, фосфор, калий, палладий, рубидий, натрий, олово, цинк, празеодим, рений, кремний, ванадий, стронций, барий, радий, скандий, иттрий, лантан, актиний, церий, торий, титан, цирконий, гафний, протактитний, тантал, неодим, уран, вольфрам, прометий, нептуний, самарий, плутоний, рутений, осмий, европий, америций, родий, иридий, гадолиний, кюрий, платину, тербий, беркелий, серебро, золото, диспрозий, калифорний, кадмий, ртуть, гольмий, титан, эрбий, тулий, азот, мышьяк, сурьму, иттербий, серу, селен, теллур, полоний, лютеций, фтор, хлор, иод и астат. Предложенные соединения металлов могут быть органическими или неорганическими.

Особенно желательны переходные металлы, элементы и соединения элементов групп 1А, 1В, 2А, 2В, 3В Периодической системы элементов и их циклические соединения, включая циклопентадиенил карбонилы. Их получение описано в литературе [45-48]. Установлено, что метил-, циклопентадиенил- трикарбонилгруппы являются эффективными.

Также предлагается использование циклических соединений, включающих металлы из групп 4В, 5В, 6В, 7В и группы 8. Предлагается использование циклических соединений, содержащих более чем один металл.

Особенно целесообразно использовать металлы группы 3А Периодически системы элементов и их соединения, особенно бор и алюминий. Металлы могут участвовать в процессе горения совместно с соединениями УГС или другим путем, в том числе с помощью растворимых соединений, общих дисперсионных сред/растворителей, коллоидных сред, суспензионных сред, раздельной инжекции.

Заявитель предполагает, что эти соединения металлов обычно растворимы в топливе и имеют интервалы плавления и кипения, совместимые с горением жидких углеводородов.

Поскольку изобретение предполагает также использование газообразных и твердых соединений УГС и газообразных и твердых компонентов топлива, возможно использование также металлов и/или их соответствующих соединений, находящихся в газообразном и/или твердом состоянии.

Заявитель в целом предпочитает элементарные металлы низкой молекулярной массы и их соединения, хотя выбор диктуется также их тепловыми характеристиками и природой компонентов топлива и систем сгорания. Предпочтительно также, чтобы продукты сгорания элементов и/или их соединений были экологически безопасны, например имели низкую токсичность.

Заявитель отдает себе отчет, что имеется большое количество соединений металлов, пригодных к использованию в данном изобретении. Ограниченное число примеров включает циклопентадиенил метилциклопентадиенил железа, ферроцен, метилферроцен, трикарбонил бутадиенжелеза, дициклопентадиенил железа и дициклопентадиенильные соединения железа [49-51], никель, нитрозил циклопентадиенилникеля, гексакарбонил молибдена, карбонилы циклопентадиенилмолибдена [52-53], соединения технеция, магния, рения [54], диборан, тетраборан, гексаборан иих смеси. Предполагается использование органических и неорганических соединений этих металлов. В литературе [55] дан ряд соединений, таких как триметилалюминий, триэтилалюминий, диметилбериллий, гидрат бора, гидрид бора, борный ангидрид, триэтилбор (С₂Н₅)₃В; соединения бора с водородом и литием, пентаборан, декаборан, боразол, боргидрид алюминия иих смеси; соединения легких металлов (СН₃)₃NBN(CH₃); (CH₃)₂BI; Ве(С₂ Н₅)₂; С₄Н₉В(ОН)₂; Al(ВН₄)₃ или AlH(ВН₄)₂; Ве(ВН₄)₂; LiBH₄; В(ОС₂Н₅)₃; (ВО)₃(ОСН₃)₃; Zn(СН₃)₂. Особенно рекомендуются соединения, содержащие несколько металлов.

Предпочтительным циклическим трикарбонилом марганца является трикарбонил циклопентадиенила марганца. Более предпочтительным циклическим трикарбонилом марганца является метил циклопентадиенил марганец (ММТ).

Список примеров приемлемых заместителей включает (не ограничиваясь этим) алкенил, аралкил, аралкенил, циклоалкил, циклоалкенил, арил и алкенилгруппы. Для иллюстрации примеров приемлемых циклических трикарбонилов марганца - антидетонаторов приводятся (не ограничиваясь этим) трикарбонил бензилциклопентадиенил марганца; трикарбонил 1,2-дипропил 3-циклогексилциклопентадиенил марганца; трикарбонил 1,2-дифенилциклопентадиенил марганца; трикарбонил 3-пропениленил марганца; трикарбонил 2-толуиндиенил марганца; трикарбонил флуоренил марганца; трикарбонил 2,3,4,7-пропифлуоренил марганца; трикарбонил 3-нафтилфлуоренилмарганца; трикарбонил 4,5,6,7-тетрагидроинденил марганца; трикарбонил 3,3 этенил-4,7-дигидроинденил марганца; трикарбонил 2-этил 3 (α-фенилэтенил) 4,5,6,7 тетра-гидроинденил марганца; трикарбонил 3-(α-циклогексиленфенил)-4,7-дигидроинденил марганца; трикарбонил 1,2,3,4,5,6,7,8-октагидрофлцоренил марганца и т.п. Также могут использоваться смеси подобных соединений. Вышеприведенные соединения могут быть получены известными методами.

В практической реализации изобретения не является проблемой использование тяжелых оксидов металлов с высокой температурой плавления: марганца (Mn₃O₄), алюминия (Al₂O₃), кобальта, меди, галлия, лития, магния, никеля, ниобия, олова, цинка, ванадия и др. Безусловно могут быть использованы высокоэнергетические соединения металлов.

Таким образом, металлы, имеющие очень высокие тепловые характеристики при сгорании, если при этом не образуются оксиды с высокой температурой плавления на поверхностях двигателя и др. и/или не выделяются опасные продукты сгорания, могут теперь безоговорочно использоваться. Более того, они могут использоваться в концентрациях, не ограниченных теми, которые считаются приемлемыми (например, марганец в бензинах - выше 0,008 г/л (1/32 г/гал)).

Обнаружено, что магний и его горючие соединения являются особенно эффективными, и, таким образом, желательными к использованию. Допустимы промоторы, такие как Li и LiH, если этого требуют обстоятельства.

Все такие соединения металлов, которые способствуют решению поставленной в изобретении задачи и/или позволяют достичь преимуществ, связанных с его использованием, являются примерами конкретного исполнения и подразумеваются в формуле изобретения.

Другие неограничивающие примеры не содержащих свинца соединений металлов были изложены в описании. Известно много дополнительных возможных соединений металлов, например, см. [78-105]. Эти металлы и неметаллы, включая их сочетания, достигающие сгорания в паровой фазе согласно изобретению, включены в описание путем ссылки. Заявитель принимает участие в разработках подобных соединений, сделанных на основе данного изобретения, а также предполагает их использование.

ЗАМЕЩЕНИЕ СОЕДИНЕНИЙ УЛУЧШАЮЩЕЙ ГОРЕНИЕ СТРУКТУРЫ (УГС)

По мнению заявителя, любое конкретное соединение УГС, например диметилкарбонат, может быть замещено любым другим соединением или компонентом УГС, которое позволяет решить поставленную в настоящем изобретении задачу и удовлетворяет требованиям, предъявляемым к топливу, системам сгорания и/или выбросам. Так, рассматривается возможность замены описанных здесь соединений на любые соединения УГС в той степени, в которой они позволяют решить поставленные задачи. Однако заявитель считает, что не все соединения УГС одинаковы и имеют одинаковую эффективность в исходном или замещенном виде. Поэтому замещение может быть осуществлено только при соответствующей оценке.

Другими словами, одним из примеров реализации настоящего изобретения является замещение, комбинирование или смешение диметилкарбоната с водородом, моноксидом углерода, метанолом, метилалем, этанолом, н-пропанолом, изопропанолом, метилендиметиловым эфиром, диметилкарбонатом, метилтретбутиловым эфиром, диметилкарбонатом, этилтретбутиловым эфиром, метилтретамиловым эфиром, диизопропиловым эфиром, С₃-C₆ низкомолекулярными спиртами, диметиловым эфиром, диэтиленгликольдиметиловым эфиром, диэтиленгликольдиэтиловым эфиром, водой, пероксидом водорода и любыми другими соединениями УГС илиих смесью.

Дополнительные неограничивающие возможные заместители диметилкарбоната включают соединения УГС, выбранные из группы: С₂-С₁₂ альдегиды, С₂-С₁₂ эфиры (МТБЭ, ЭТБЭ, 2, 2-диэтил-1,3-пропандиол), С₄-С₁₅ спирты (фурол, фурфурил, 1-гексанол, 2-гексанол, 3-гексанол и полиэтоксиэтанолы), С₂-С₁₂ оксиды (2-метилфуран, метилтетрагидрофуран), С₃-С₁₅ кетоны (ацетон, 2,3 бутанодион, 2,5 гександион, 2,4 пентандион, циклопентанон), С₃-С₁₅ эфиры (изопропилацетат, этилакрилат), С₃-C₁₂; диэфиры, C₅-C₁₂ фенолы (п-крезаль, 2,4 ксиленаль, 3-метоксифеналь), C₅-C₂₀ гликолевые эфиры (включая диэтилендиметиловый эфир, диэтилендиэтиловый эфир, диэтилендипропиловый эфир, диэтилендибутиловый эфир, включая диэтиленмонометиловый эфир, ди-этиленмоноэтиловый эфир, диэтиленмонобутиловый эфир), С₄-С₂₀ карбонаты, имеющие температуру кипения выше 32,2°С (90°F) или, более предпочтительно 48,9°С (120°F), C₅-C₂₅ дикарбонаты, имеющие температуру кипения выше 32,2°С (90°F) или, более предпочтительно 48,9°С (120°F), органические и неорганические пероксиды, включая дитретбутилпероксид, алкилпероксид, алкилгидропероксид, 2, 5-диметил-2,5-диметилтретпероксигексан, третбутилкумилпероксид, дитретамилпероксид, третбутилгидропероксид, третамилгидропероксид, алкилнитрат, включая этилгексилнитрат и изопропилнитрат, и их смеси. Более тяжелые соединения УГС можно использовать вместо предпочтительного диметилкарбоната или насыщенных кислородом/УГС средств, и/или в качестве добавок, в присутствии растворителей или без них.

Замещенные эфиры, рассматриваемые в настоящем изобретении, включают разветвленные или линейные эфиры, диэфиры, имеющие 2 атома кислорода и двойную эфирную связь и 3-эфиры, имеющие три атома кислорода и несколько эфирных связей. Неограничивающие примеры включают диметиловый эфир, метилэтиловый эфир, диэтиловый эфир, этилпропиловый эфир, метил н-пропиловый эфир, этилизопропиловый эфир, метилизопропиловый эфир, этил-н-пропиловый эфир, пропиловый эфир, пропилизопропиловый эфир, диизопропиловый эфир, этилтретбутиловый эфир, этилвтор-бутиловый эфир, метил н-бутиловый эфир, метилизобутиловый эфир, метилтретбутиловый эфир, метилвторбутиловый эфир, метил-н-амиловый эфир, метилвторамиловый эфир, метилтретамиловый эфир, метилизоамиловый эфир. Дополнительные неограничивающие примеры подходящих двойных эфиров (имеющих два атома кислорода и двойную эфирную связь) включают метилендиметиловый эфир, метилендиэтиловый эфир, метилендипропиловый эфир, метилендибутиловый эфир, метилендиизопропиловый эфир.

В соответствии с настоящим изобретением в особенности предпочтительны замещенные высокомолекулярные C₄ эфиры, в частности, при их использовании в дизельном топливе, жидком топливе и/или топливе для турбин. Производство эфиров хорошо известно, см., например, [56-76].

Замещенные кетоны УГС могут включать низшие алкенильные кетоны. Примеры низших алкенильных кетонов включают диэтилкетон, метилэтилкетон, циклогексанон, циклопентанол, метилизобутилкетон, этилбутилкетон, бутилизобутилкетон, этилпропилкетон и другие. Другие кетоны включают ацетон, диацетоновый спирт, диизобутилкетон, изофорон, метиламилкетон, метилизоамилкетон, метилпропилкетон и другие. Примером циклических кетонов может быть этилфенилкетон. Замещенные УГС-эфиры включают анизол (метиловый эфир бензола), изопропилацетат и этилакрилат.

Замещенные УГС-карбонаты, которые в особенности предпочтительны, включают симметричные диалкилкарбонаты, в которых алкильные группы полученыиз низших линейных первичных спиртов, таких как метанол и этанол, например диметилкарбонат и диэтилкарбонат. Высшие симметричные диалкилкарбонаты, например ди-н-бутилкарбонат, дитретбутилкарбонат, дипропилкарбонат, и дикарбонаты, например диметилдикарбонат и диэтилкарбонат, алкилфенилкарбонаты, например третбутилфенилкарбонат, и циклические алкиленовые карбонаты, например пропиленкарбонат, этиленкарбонат и бутиленкарбонат, а также другие органические карбонаты, например изопропилциклогексилкарбонат, метил-н-бутилкарбонат. Изобутиленкарбонат и диизопропилкарбонат также являются предпочтительными. Можно использовать также несимметричные диалкилкарбонаты, включая нетилтретбутилкарбонат, этилтретбутлкарбонат, метилтретанилкарбонат, этилтретамилкарбонат, а также их смеси.

Таким образом, для решения поставленной в изобретении задачи повышения скорости горения и снижения температуры горения рассматривается возможность использования диметилкарбоната, а также включение замещенных соединений УГС и/или альтернативно дополнительного включения других компонентов, аналогов или гомологов любых соединений УГС и/или всего класса соединений УГС и их смесей, включая соединения с более высокой молекулярной массой (или более высокой температурой кипения) в той степени, в которой они способны повысить скорость горения и/или понизить температуру горения.

Показано также, что соединения УГС могут быть взаимозаменяемы или заменены на соединения не УГС или вообще не применяться, если задача повышения скорости горения и/или снижения температуры горения решена с помощью других средств.

Соединения УГС могут быть смешаны один с другим или с несколькими соединениями УГС в различных пропорциях для достижения синергического улучшения скорости горения и снижения температуры.

В тех случаях, когда применение соединений УГС приводит к возникновению проблем с температурой вспышки, летучестью, давлением паров, коррозией, набуханием эластомеров, растворимостью, гидролизом и другими, возможно использование сорастворителей, включая высокомолекулярные спирты, эфиры, кетоны, карбонаты и т.п., см. [77]

Дополнительно заявитель отмечает, что предпочтительная структура, улучшающая горение (структура метоксирадикала ОСН₃), является общей структурой для метанола, метилендиметилового эфира (метилаля, МДМЭ) и диметилового эфира карбоновой кислоты (диметилкарбоната), МТБЭ и т.п. Предпочтительная улучшающая горение структура ОН является общей для спиртов, в первую очередь метанола.

Заявитель отмечает также, что между различными классами соединений изобретения возможно дублирование, например соединения УГС могут содержать некоторые металлы, некоторые металлы могут быть использованы в качестве ракетных топлив и т. д. Показано, что некоторые соединения имеют многоцелевое назначение.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА

Для повышения скорости горения и/или понижения темературы горения возможно использование различных механических средств. Такие механические средства могут быть использованы независимо от УГС или химических средств, или могут иметь к ним отношение. Например, соединения УГС, имеющие ограниченную скорость горения и/или пониженную латентную теплоту испарения, могут использоваться с применением механических средств, например атомизации на мелкие частицы, охлаждающих систем, компрессионных камер для создания турбулентности, турбонаддува и др.

Так, ожидается, что механические средства, используемые в изобретении, могут изменяться в зависимости от рассматриваемого топлива и системы горения. Так, например, использование УГС-топлив в составе беспримесных композиций, имеющих более высокие скорости горения, предполагают применение различных механических средств по сравнению, например, с топливом УГС и базовым топливом, имеющим низкую скорость горения при использовании в системах с низкой степенью сжатия.

Механические средства, рассматриваемые в настоящем изобретении, включают системы инжекции топлива, в особенности такие, которые позволяют направлять тонкую однородную струю атомизированных паров при повышенных динамических скоростях потока и давлениях под требуемый углом в камеру сгорания (камеру сгорания, горелку и т.д.), усовершенствованные испарители, камеры сгорания, сконструированные для улучшения турбулентности горения, более высокие давления на входе в камеру (например, более высокие компрессионные числа), вихревые камеры сгорания, сферические камеры сгорания, разделенные камеры, камеры сгорания с повышенным кпд горения, камеры с повышенной степенью смешения топлива с воздухом, камеры с повышенной турбулентностью и/или с улучшенным смешением топлива с воздухом, двигатели максимального сжатия (давления на входе), двигатели с максимально увеличенным давлением горения (плотностью горения), двигатели с максимально низкими температурами горения и/или другие усовершенствования, предложенные в изобретении.

Дополнительные механические средства, которые можно использовать или приспособить, включают системы для сжигания обедненного топлива, каталитические камеры сгорания и системы, камеры сгорания с предварительным смешением, камеры сгорания с диффузионным пламенем, камеры сгорания обедненного предварительно смешанного топлива с предварительным испарением, камеры сгорания с предварительным испарением и предварительным смешением, двигатели с изменяемым коэффициентом сжатия, двигатели с прямой инжекцией и послойной подачей загрузочной смеси, турбонагнетатели, системы с последующим охлаждением, камеры сгорания с повторной подачей, камеры предварительного горения, вихревые системы для подачи во входное отверстие, системы пониженного охлаждения, системы с пониженным теплопереносом, системы улучшенного смешения топлива с воздухом, системы распыления для улучшения динамической энергии, инжектоы для улучшения смешения топлива с воздухом, водоструйные системы и др.

В настоящем изобретении предложено для решения поставленных задач предпочтительное использование систем обедненного горения и/или быстрого горения, в частности с топливами, имеющими более повышенное содержание кислорода.

Предпочтительнее механические системы с использованием камер сгорания с улучшенной турбулентностью. Неограничивающие примеры включают системы очистки воздуха, 4-клапанные односкатные камеры, вихревые камеры догорания, камеры сгорания с косвенной инжекцией, вихревые камеры сгорания с косвенной инжекцией, камеры сгорания с прямой инжекцией и камеры, геометрия которых, диаметр отверстия, угол распыления, степень сжатия и другие параметры способствуют турбулизации.

Регулировка инжекции, измерение расхода топлива, давление инжекции, перепад давления инжекции, конструкция сопла, температура воздуха на входе, давление воздуха на входе, размер капелек, скорость, давление и температура инжектируемых капелек и геометрия камер сгорания являются одними из наиболее существенных факторов, влияющих на достижение максимального эффекта настоящего изобретения и рассматриваются как частные примеры реализации изобретения.

Например, путем изменения угла сужения сопла, угла сужения горловины сопла, эксцентричности центральной линии струи, выходящей из реактивного сопла, радиуса распыления (сферического радиуса) в камере предварительного сгорания (вихревой камере), а также модифицируя регулировку инжекции, скорость, длительность и другие факторы, можно максимально использовать преимущества настоящего изобретения. Это касается, в частности, газолина, дизельного топлива, турбореактивных двигателей, жидкостных ракетных двигателей и горелок для жидкого топлива.

Так, особенно желательной задачей настоящего изобретения является его применение, включая инжекцию тонкораспыленных паров в камеру сгорания и другие области применения и т.п., в частности, в турбинах, в дизелях и при использовании жидкого топлива.

В изобретении рассмотрено большое количество средств инжектирования и распыления. Различные топлива, топливные системы, системы горения требуют применения различных средств инжекции, атомизирующих систем, давлений, температур и других факторов. Очевидно, газолиновые системы отличаются, например, от жидких топлив сортов 4-6, которые в соответствии с настоящим изобретением требуют применения средств для их распыления при более высокой вязкости и для инжекцииих в горелку или камеру сгорания при больших давлениях. Газолиновые системы, предложенные в изобретении, предполагают использование инжекционных трубопроводных систем, в то время как дизельные системы предполагают систему прямой или косвенной инжекции в цилиндры.

При более высокой латентной теплоте испарения топлива, используемого в изобретении, при подаче топлива в цилиндр происходит образование вакуума. Следовательно, возможно изменение давления инжекции топлива, включая низкие и очень низкие давления.

Тяжелые дизельные топлива, жидкие топлива и соответствующие системы горения требуют использования более высоких давлений, способности к высоким нагрузкам и улучшенных характеристик атомизации по сравнению с газолиновыми системами. Авиационные реактивные топлива имеют аналогичные, но несколько другие требования, при этом необходимо учитывать, что интервал потоков топлива составляет 50:1.

Например, в настоящем изобретении предложены оптимальные давления инжекции бензинового топлива, которые составляют от 7 до 35,2 кПа (от 1 до 5 фунт/дюйм²), от 21,1 до 105,5 кПа (от 3 до 15 фунт/дюйм²), от 35,2 до 141 кПа (от 5 до 20 фунт/дюйм²), от 70 до 211 кПа (от 10 до 30 фунт/дюйм²), от 105,5 до 316,4 кПа (от 15 до 45 фунт/дюйм ). Оптимальные давления инжекции дизельного топлива составляют порядка 105,5 - 211 МПа (1500-30000 фунтов/дюйм²). Рассматривается также возможность применения более низких давлений инжекции благодаря вакуумнуму эффекту, возникающему при инжекции некоторых топлив УГС.

Примеры предложенных в изобретении атомизирующих систем включают простые жидкостные и многоструйные и/или газожидкостные распылительные форсунки, двухструйные атомизаторы, атомизаторы внутреннего смешения, компрессионные атомизаторы, Y-Jet-распылители, системы с вращающимся диском, воздушные форсунки, распылительные форсунки, испарительные системы, воздуходувные атомизаторы, включая атомизаторы с плоской струей, с предварительным образованием пленки, с плоской струей воздуха, центробежные инжекторы, вращающиеся атомизаторы, роторные атомизаторы, ультразвуковые, акустические атомизаторы и другие существующие или возможные в будущем системы. В соответствии с настоящим изобретением предпочтительны атомизаторы с воздушным поддувом.

Дополнительно или альтернативно к системам инжекции топлива возможно использование испарительных элементов, включая Т-образные, L-образные и др. Испарительные элементы, как правило, зафиксированы на огневой трубе, в то время как топливные инжекторы смонтированы в корпусе камеры сгорания, при этом их инжекционная головка расположена внутри испарительной трубки.

В соответствии с настоящим изобретением основной задачей является создание такого распределения среднего размера частиц паров топлива, выходящего из распылительной системы (или испарительной системы) в камеру сгорания или другое устройство, которое позволило бы максимизировать характеристики горения предложенного топлива, максимально увеличить скорость горения, скорость горения, латентную теплоту испарения, давление горения и другие параметры.

Поэтому одним из особенно интересных аспектов реализации настоящего изобретения является получение в камере сгорания частиц инжектированного или испаренного топлива (капельных), имеющих размеры от 1 до 70 мкм. Предпочтительно средний размер частиц составляет от 40 до 60 мкм или меньше, более предпочтительно от 30 до 50 мкм, от 20 до 40 мкм, от 5 до 30 мкм или меньше, включая 1 мкм или субмикронные размеры. Ограничения по уменьшению размера частиц паров отсутствуют, поскольку распределение топлива не оказывает вредного воздействия. Средний размер частиц, больший 30, 40, 50 или 70 мкм, также допустим, если быстрая диффузия испаренной доли топлива достигается другими средствами, например химическими, и/или если более меньший размер частиц затрудняет распределение топлива. Однако заявитель полагает, что в некоторых областях применения минимальный размер частиц не должен превышать 5, 10, 20, 30, 40, 50 или 60 мкм.

Предпочтительно также, если такие инжекционные системы позволяют максимизировать степень смешения топлива с воздухом для улучшения горения. Однако заявитель не стремится использовать слишком высокие скорости смешения, с тем чтобы не вызвать сдувания высокообедненных смесей и др.

При использовании в авиационных реактивных двигателях, в особенности, в условиях высокой маховой скорости (где происходит уменьшение естественной конвекции и диффузии) желательно использование давлений, отличных от потоков инжектируемого топлива. Кроме того, было обнаружено, что в этих условиях полезно использование взаимодействующих параллельных и пересекающихся топливных инжекторов. Улучшение смешения, достигаемое благодаря использованию комбинированной параллельной и пересекающейся инжекции в особенности эффективно, что подчеркивается в настоящем изобретении.

Давления инжекции могут в значительной степени различаться, при этом более высокие давления обычно применяют для более тяжелых и жидких топлив с высокой вязкостью. Однако достичь высокого давления инжекции в газовых турбинах более трудно, поскольку при этом необходимо создать более высокое давление топлива, а также в связи с проблемами регулирования распределения топлива в камере сгорания. Поэтому во многих случаях применяют более низкие давления инжекции.

Так, усовершенствованные системы инжекции топлива, позволяющие оптимизировать горение и охлаждение топливной композиции, так что при этом улучшается скорость горения, представляет собой один из существенных аспектов изобретения.

При использовании тяжелых дизельных топлив и аналогичных топлив высокие давления инжекции при некотором запаздывании момента инжекции в условиях полной нагрузки позволяют достичь максимальной энергии смешения и улучшить скорость горения, что также является одной из задач, решаемых в настоящем изобретении.

Было обнаружено также, что более низкие давления инжекции при использовании более тяжелых видов топлива в условиях высокой скорости, но небольшой нагрузки позволяют снизить до минимума избыточное смешение и уменьшить выделение углеводородов, что является, таким образом, более предпочтительным.

Одновременная инжекция топлива посредством соответствующих средств с использованием одной или более инжекционных систем (например, двойного инжектора топлива), аналогичных или различных по физическому состоянию топлив, например газа с жидкостью, твердого с жидкостью и др., также относится к области настоящего изобретения и конкретно рассматривается. Такое использование, в частности, рассматривается в тех случаях, где смешивание соединений УГС с базовым компонентом топлива перед инжекцией топлива или оптимизацией горения может оказаться невозможной иих лучше инжектировать по отдельности. Раздельная инжекция также предложена в тех случаях, когда смешение топлива нельзя осуществить другими средствами перед инжекцией топлива и/или сжиганием.

Например, введение жидкого углеводородного компонента топлива и газообразного топлива УГС, например водорода, в камеру сгорания или горелку можно осуществить путем раздельной инжекции, специально подобранной в соответствии с конкретными характеристиками данного топлива и системой горения, разработанной с тем, чтобы максимально увеличить скорость горения.

Таким образом, рассматривается возможность инжекции компонентов топлива в различном физическом состоянии одновременно с использованием одних и тех же и/или раздельных средств.

Различные комбинации способов смешения и инжекции предложенных заявителем топлив УГС и компонентов топлив рассматриваются в контексте усовершенствованных систем инжекции топлива и методологии.

В области применения, касающейся авиационных турбореактивных двигателей, в особенности предпочтителен подбор скорости для регулирования потока топлива на некоторой высоте над уровнем моря, поскольку в связи с пониженным атмосферным давлением возникают отклонения кпд горения.

В особенности предпочтительны системы инжектирования с усовершенствованной насосной линией, системы с блочным инжектором и/или другие системы, в которых возможно создание высокого давления, регулирование скорости инжекции, времени инжекции и/или проведение другого контроля. В частности, рассмотрены инжекционные системы, в которых возможно регулирование давления инжекции, времени инжекции, скорости и/или давления горения.

В настоящем изобретении допустимо использование систем прямой и косвенной инжекции топлива. Однако предпочтительнее системы с прямой инжекцией, в особенности для дизельного топлива. Системы прямой инжекции топлива также более предпочтительны с точки зрения максимального увеличения скорости горения предложенного заявителем топлива УГС.

Другим примером реализации изобретения, как уже было указано выше, является применение турбонаддува или компрессионного наддува, что особенно предпочтительно в данном изобретении, в частности, при использовании бензина или дизельного топлива. Улучшенные системы вентиляции воздуха, устройства для создания давления воздуха и/или системы турбонаддува, повышающие давление воздуха на входе, работающие совместно с системами рециркуляции выхлопного газа (РВГ), в особенности предпочтительны и в значительной степени способствуют решению поставленной задачи.

Улучшенное охлаждение, последующее охлаждение и/или системы с хладоагентом также могут быть использованы, например температуры горения могут быть понижены путем снижения температуры хладоагента, используемого в двигателе, снижением температуры воздуха на входе и/или тепла, поступающего на входной трубопровод. Все эти средства относятся к области настоящего изобретения.

Пример 29

Комбинация улучшающего горение топлива, содержащего насыщенное кислородом соединение с высокой латентной теплотой испарения на основе УГС и улучшающее горение, количество металлосодержащего соединения, системы горения и системы рециркуляции выхлопного газа (РВГ), в которой указанное топливо сжигают, а выхлопные газы рециркулируют обратно в систему сгорания.

Пример 30

Пример 29, в котором система рециркуляции выхлопного газа (РВГ) представляет собой систему закрытого типа.

Пример 31

Примеры 29-30, в которых используют неэтилированное топливо, систему горения, предназначенную для бензинов, соответствующих стандарту США, при этом комбинация дополнительно содержит систему контроля выбросов.

Пример 32

Пример 29, в котором топливо содержит кислород в концентрации 2 мас.% и улучшающее горение количество циклического трикарбонила марганца в концентрации 0,082 г/л (1/32 г Mn/гал).

Пример 33

Пример 32, в котором топливо характеризуется повышенной скоростью горения при увеличении теплового кпд системы, в результате чего экономия топлива увеличивается по меньшей мере на 0,5%, 1, 0%, 2%, 5%, 10% или больше.

В изобретении предложено также использование систем последующей обработки выхлопных газов, неограничивающие примеры которых включают керамические обкладки, фильтры, ловушки, ловушки-окислители и катализаторы. Использование катализаторов, работающих на выхлопных газах, в частности в применении к автомобильным топливам, хорошо известно.

В настоящем изобретении предложено, в частности в области автомобильных топлив, использовать катализаторы выхлопных выбросов (катализаторы трехступенчатой очистки (three way catalysts), предпочтительно, монолитные) с одновременным использованием встроенного датчика кислорода, который частично измеряет эффективность работы катализатора.

Таким образом, предложенные заявителем топлива, улучшающие горение, в сочетании с механическими и аналогичными системами представляют собой значительный шаг вперед по сравнению с известными методами.

Так, одним из аспектов настоящего изобретения является изменение и/или адаптация вышеуказанных механических средств для достижения максимально возможной эффективности настоящего изобретения.

ТОПЛИВА И СИСТЕМЫ ГОРЕНИЯ

Камеры сгорания, используемые в настоящем изобретении, различаются по геометрии (трубчатые, кольцевые, трубчато-кольцевые, сферические), по области их применения (в авиации, в промышленности, в движущихся средствах), а также включают аэродинамические камеры сгорания (с диффузионным пламенем, с предварительным смешением, ступенчатые, каталитические).

В соответствии с настоящим изобретением предпочтительны диффузионные пламенные камеры сгорания, в которых пламя, образующееся при горении, предложенном Заявителем, распространяется дальше посредством струйной диффузии газа, улучшенного испарения капелек топлива, повышенной скорости горения и/или распылительной диффузии.

Таким образом, одним из примеров реализации изобретения является использование камеры сгорания с диффузионным пламенем в сочетании с топливом УГС, в результате чего уменьшаются выбросы при горении, горение ускоряется и/или наблюдается понижение температуры горения.

Предложенное изобретение в особенности возможно использовать в турбинах, в частности в авиационных турбореактивных двигателях, в промышленных газовых турбинах, судовых газовых турбинах и др.

Физическое состояние используемых топлив включает жидкости с широким и узким интервалом температуры кипения, полужидкости, почти жидкости, полутвердые вещества, твердые вещества, газообразные топлива и их смеси.

Предложенные заявителем беспримесные топлива (например, соединения УГС и металлосодержащие соединения) имеют исключительную движущую силу и не загрязняют окружающую среду, примеры использования которых не ограничиваются их использованием в двигателях внутреннего сгорания, авиационных турбореактивных двигателях, газойлевых турбинах, печах, горелках, двигателях с воздушным поддувом и ракетных двигателях.

Предложенное в изобретении чистое (беспримесное) топливо является исключительным топливом, которое может использоваться потенциально в любой системе горения. Тем не менее, может потребоваться модификация существующих камер сгорания для достижения максимально эффективного горения и высоких термодинамических характеристик для данного беспримесного топлива.

Другим примером реализации изобретения является использование систем улучшенного горения, способных к выработке больших количеств свободной энергии при более высоких давлениях и/или повышенных тепловых кпд, обусловленных использованием предложенных топлив. Предполагается, что для максимального увеличения преимуществ чистых, почти чистых, по большей части чистых или частично чистых топлив УГС, предложенных в изобретении, возможна модификация систем и разработка новых конструкций.

Таким образом, к области настоящего изобретения относится сочетание таких усовершенствованных систем горения с предложенными в изобретении топливами.

Одним из примеров реализации изобретения является использование соединений УГС, их смесей или смесей с улучшающим горение количеством не содержащих свинец металлосодержащих соединений. Однако предпочтительным примером реализации является применение соединений УГС или их смесей совместно по меньшей мере с одним бессвинцовым металлосодержащим соединением ("топливо УГС"). Предложенное топливо УГС может содержать по меньшей мере один дополнительный окислитель и/или одно дополнительное топливо для двигателей внутреннего сгорания или топливный компонент.

При использовании топливного компонента, например, если топливо УГС используют в сочетании с водородом и/или углеродосодержащим топливом, снижение упругости паров по Рейду (УПР) (RVP) является одним из аспектов реализации изобретения. Однако полученное в результате топливо включает топливо с упругостью паров RVP в интервале от 0,069 до 6895 кПа (0,01-1000,0 фунтов/кв.дюйм); 0,137- 1379 кПа (2,0-200, 0 фунтов/дюйм²); 0,137-275,8 кПа (2,0-40,0 фунтов/дюйм²); 0,068 - 137,9 кПа (1,0-20,0 фунтов/дюйм²); 0,069 - 0,689 кПа (1,0-10,0 фунтов/дюйм²); 0,069 - 55, 15 кПа (1,0-8,0 фунтов/дюйм²); 0,069 -51,5 кПа (1,0-7,5 фунтов/дюйм²); 0,069 - 48,2 кПа (1,0-7,0 фунтов/дюйм²); 0,069 - 44,8 кПа (1,0-6,5 фунтов/дюйм²); 0, 069 - 41,4 кПа (1,0-6,0 фунтов/дюйм²); 0,069 - 20,7 кПа (1,0-3,0 фунтов/дюйм²); 0,069 -13,8 кПа (1,0-2,0 фунтов/дюйм²) или меньше.

В изобретении предложено также оптимизировать точку вспышки топлив, определяющую некоторые температуры вспышки. Предполагается, что использование дополнительного растворителя, подбор углеводородных фракций (для увеличения точки вспышки), солей, пен и других добавок может позволить снизить давление паров (RVP) и/или увеличить точку вспышки. Примеры такого использования рассматриваются.

Пример 34

Состав, содержащий соединения УГС и улучшающее горение количество по меньшей мере одного бессвинцового металлосодержащего соединения.

Пример 35

Состав примера 34, дополнительно содержащий окислитель и/или топливный компонент.

Таким образом, в изобретении предложено чистое, по существу чистое, главным образом чистое топливо УГС, включающее композиции, содержащие более 50 об.% соединения или соединений УГС. Предложено также топливо, содержащее по существу большую часть, меньшую часть или по существу меньшую часть, например более 0,5%, 1,0%, 1,5%, 1,8%, 2,0%, 2,7%, 3,0%, 3,5%, 3,7%, 4,0%, 5,0%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 40% (об. или мас.) топлива УГС, как правило, совместно с топливным компонентом ("базовым топливом или топливным компонентом").

В соответствии с настоящим изобретением наиболее предпочтительны беспримесные топлива УГС, содержащие марганец, включая диметилкарбонат, метанол, водород, метилаль, метангидрат, гидразин иих смеси.

Исходно предполагалось, что предложенные топлива УГС могут быть включены в небольших объемах в состав топливных компонентов, поставляемых на рынок.

Тем не менее, при больших концентрациях топлив УГС в об.% от полученного топлива наблюдается резкое улучшение горения и снижение выброса в атмосферу.

При более подробном рассмотрении возможностиих применения в компонентах топлива показано, что приведенное описание для одного компонента топлива может быть применено для любого другого компонента топлива, для которого возможно такое применение (например, антиоксиданты или детергенты одного класса компонентов топлива могут быть использованы для другого класса компонентов топлива и т.п.).

ТОПЛИВА ДЛЯ ТУРБОРЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И ТУРБИННЫЕ СИСТЕМЫ

В настоящем изобретении подробно рассмотрена возможность применения полученного топлива в турбореактивных двигателях и в качестве компонентов топлива. Заявитель полагает, что возможно широкое применение настоящего изобретения в топливах для реактивных двигателей, топливах для авиационных турбореактивных двигателей, включая топливо для тяговых и подъемных двигателей, пускателей и вспомогательных средств.

В настоящем изобретении, в частности, предложены авиационные турбины, полученные топлива для авиационных турбин (топлива У ГС и компоненты топлива) или компоненты топлива, удовлетворяющие ASTM D 1655, включая Jet A, Jet A-1 (с относительно высокой точкой вспышки дистиллята керосинового типа). Jet B-A (с относительно широким интервалом кипения летучего дистиллята). Рассмотрены также другие сорта топлива для турбореактивных двигателей, включая удовлетворяющие руководству IATA и техническим условиям на турбины для военной авиации, таким как MIL-T-5624, MIL-T-83133, MIL-P-87107. Так, заявитель приводит многочисленные ссылки на топлива, используемые в авиации и газовых турбинах, в следующей литературе (Chapter 2 "Gas Turbine Fuels" L. Gardner and R.B. Whyte, Desine of Modern Turbine Combustors, Academic Press, 1990, p. 81-227).

Авиационные топлива для турбин, предложенные в настоящем изобретении, за исключением тех, которые указаны особо, состоят из смесей очищенных углеводородов, полученных из сырой нефти, природного бензина или их смесей с синтетическими углеводородами. Как правило, они представляют собой смесь углеводородов (т.е. парафинов, циклопарафинов, ароматических веществ и олефинов, плюс следовые количества гетероатомов, таких как соединения серы) и смешаны с фракциями дистиллятов прямой перегонки, которые были подвергнуты какой-либо последующей обработке.

В частности, в изобретении рассмотрены авиационные топлива для турбин, состоящие из небольших или значительных количеств веществ УГС.

В настоящем изобретении предложены системы газовых турбин и реактивных двигателей с воздушным поддувом. Неограничивающие примеры таких систем включают турбореактивные, турбовинтовые, турбовентиляторные, прямоточные воздушно-реактивные двигатели, реактивные двигатели быстрого включения, пульсирующие воздушно-реактивные двигатели и их различные варианты. Эти системы рассмотрены на конкретных примерах авиационных топлив для турбин.

Например, неограничивающие примеры конфигурации газовых турбин включают основную, с одним промежуточным охлаждениями, с двумя промежуточными охлаждениями, с изотермическим промежуточным охлаждением, с одним повторным нагревом, с двумя повторными нагревами, с изотермическим повторным нагревом, с одним промежуточным охлаждением и одним повторным нагревом, с двумя промежуточными охлаждениями и двумя повторными нагревами, с изотермическим промежуточным охлаждением и изотермическим повторным нагревом, с регенерацией, регенерацией с основной газовой турбиной, регенерацией с одним промежуточным охлаждением, регенерацией с одним повторным нагревом, регенерацией с одним промежуточным охлаждением и одним повторным нагревом, регенерацией с двумя промежуточными охлаждениями и двумя повторными нагревами и регенерацией с изотермическим промежуточным охлаждением и изотермическим повторным нагревом.

Неограничивающие примеры "турбореактивных" воздушных двигателей включают основные, с промежуточным охлаждением, с повторным нагревом, с промежуточным охлаждением и повторным нагревом, с догоранием, с промежуточным охлаждением и повторным нагревом. Неограничивающие примеры турбовинтовых систем включают основные, с промежуточным охлаждением, с повторным нагревом, с промежуточным охлаждением и повторным нагревом, с регенерацией, с промежуточным охлаждением и повторным нагревом и с регенерацией, с основным турбовентилятором, с промежуточным охлаждением и с повторным нагревом турбовентилятора, с турбовентилятором с дожиганием, с основным прямоточным воздушно-реактивным двигателем, с ядерным турбореактивным с циклом жидкого металла, с ядерным турбовинтовым с циклом жидкого металла, трубопроводные ракетные и др.

Было обнаружено, что прямоточные воздушно-реактивные двигатели и пульсирующие воздушно-реактивные двигатели особенно предпочтительны в настоящем изобретении. Термодинамические характеристики пульсирующих воздушно-реактивных двигателей рассмотрены в литературе ("Jet, Rocket, Nuclear, Ion and Electric Propulsion: Theory and Design", Edited and Authored by W.H.T.LOH.1968, p.191).

Предпочтительные камеры сгорания в соответствии с изобретением включают трубчатые, трубчато-кольцевые, кольцевые и сферические.

Предложенное изобретение в применении к вышеуказанным конфигурациям камер сгорания турбин и систем позволяет неожиданно значительно снизить образование свободного углерода в зоне первичного горения. Было обнаружено также, что уменьшение свободного углерода в зоне первичного горения приводит, в свою очередь, к снижению излучения пламени, что в свою очередь позволяет снизить температуры обкладки камеры сгорания. Таким образом, снижение тепловой нагрузки на обкладку стен повышает срок службы двигателя.

Более того, предложенные в изобретении пониженные температуры горения оказываются в высшей степени полезными на большой высоте над уровнен моря и при большой маховой скорости, где экстремальные температуры двигателя ограничивают возможность работы и конструкцию систем сгорания. Было обнаружено, что изобретение позволяет существенно снизить температуры камер сгорания двигателя на величину от 13,9 до 222°С (от 25 до 400°F) или более.

Пример 36

Способ работы реактивного двигателя на большой высоте над уровнем моря при высокой маховой скорости или другого двигателя, подверженного воздействию высоких рабочих температур, включающий смешение топлива УГС (содержащего соединения УГС и соответствующее металлосодержащее соединение) в таких пропорциях к авиационному топливному компоненту, что горение при высокой маховой скорости или на большой высоте протекает при пониженной температуре, а также работу реактивного двигателя при высокой маховой скорости или на большой высоте, при которой температуры камеры сгорания и двигателя понижены на величину от 14 до 167°С (от 25°F до 300°F), от 28 до 194°С (от 50°F до 350°F), от 42 до 209°С (от 75°F до 375°F), от 56 до 222°С (от 100°F до 400°F), от 70 до 250-С (от 125°F до 450°F), от 84 до 278°С (от 150°F до 500°F), от 98 до 306°С (от 175°F до 550°F), от 112 до 324°С (от 200°F до 600°F), от 126 до 408°С (от 225°F до 750°F), от 140 до 500°С (от 250°F до 900°F) или больше.

Было обнаружено также, что предложенное изобретение приводит к увеличению полезной работы, тяги, теплового кпд двигателя на величину от 0,5 до 2%, от 0,5 до 5%, от 1 до 10%, от 5 до 20%, от 10 до 40% или выше, и часто позволяет осуществить несколько более бесшумную работу в зависимости от концентрации топлива УГС, состава топливного компонента и конкретной работы.

Предложенное изобретение при использовании в реактивных турбинах обладает также тем преимуществом, что позволяет снизить концентрации вредных выхлопов СО, NO_x и НС, которые, как правило, связаны с холостой работой.

Как уже указано выше, проблема покрытия турбины оксидами марганца, которая в прошлом мешала использованию марганца в турбинных топливах, в настоящее время совершенно неожиданно может быть решена. Предложенное в изобретении понижение температур горения оказывает благоприятный эффект, снижая отложение других соединений на поверхности турбины и уменьшая коррозию.

В соответствии с настоящим изобретением предпочтительные химические средства с использованием соединений УГС включают улучшающее горение количество диметилкарбоната в сочетании с улучшающим горение количеством циклического трикарбонила марганца в базовом топливе для турбореактивных двигателей. Предпочтительно конечная топливная смесь должна удовлетворять минимальным пределам ASTM, включая точку вспышки, точку текучести, термостойкость, дистилляционные параметры, ароматичность, плотность, точку замерзания, вязкость, чистую теплоту сгорания и др.

Углеводородная часть топлива для турбин (топливный компонент) включает парафины, нафтены, олефины и ароматические вещества в порядке их предпочтения.

Показано, что кислород, полученный из топлив УГС, входит в состав топлив для авиационных двигателей в различных концентрациях, при этом его оптимальное содержание зависит от высоты полета, скорости, подъемных/тяговых требований, конфигурации системы горения, кпд горения, состава базового углеводородного топлива, концентрации марганца и других факторов.

Таким образом, для улучшения горения путем использования насыщенных кислородом топлив УГС, рекомендуемое процентное содержание кислорода в полученном топливе при высоте над уровнем моря 3 км (10000 футов) составляет от 0,1 до 5%, предпочтительно от 3 до 5%; при 6,1 км (20000 футов) рекомендуемое содержание кислорода составляет от 0,1 до 10%, предпочтительно от 3 до 8%; при 9,1 км (30000 футов) рекомендуемое содержание кислорода составляет от 0,1 до 16%, предпочтительно от 5,0 до 7,0% и более предпочтительно от 5,0 до 16,0%; при 12,2 км (40000 футов) рекомендуемое содержание кислорода составляет от 0,1 до 30,0%, предпочтительнее от 11,0 до 30,0%. Рекомендуемое среднее процентное содержание кислорода в полученном топливе может значительно превосходить верхний предел, составляющий 30% или выше, в частности в усовершенствованных областях применения при сверхбольшой высоте над уровнем моря в топливных смесях, содержащих альтернативные окислители.

Рекомендуемое среднее содержание кислорода в составах для авиационных турбин общего распространения, включая применение в компоненте топлива, составляет примерно от 0,01 до 3%, от 1,0 до 4,0%, от 1,0 до 7,0% кислорода по массе от полученного топлива. Приемлемой является концентрация 2,0 мас.%. Предпочтительной является средняя концентрация 4,5 мас.%. Конкретное содержание кислорода в компоненте топлива различается в зависимости от конкретного топлива, системы сгорания, учета точки вспышки и рабочих условий.

Концентрации марганца в топливе для авиационных турбореактивных двигателей составляют от 0,00026 до 2,6 г/л (от 0,001 до 10,0 г/гал). Тем не менее, рассмотрена возможность использования концентраций, существенно больших этого интервала в усовершенствованных топливах, в которых соединения УГС составляют меньшую часть, большую часть и/или в топливах, представляющих собой чистое топливо УГС. Использование в гиперголях также требует более высоких концентраций марганца.

Оказалось также, что чем больше высота над уровнем моря, тем выше требуемый уровень концентрации марганца. Более высокий уровень концентрации марганца допустим при более высоких концентрациях кислорода в композиции. Как уже отмечено, более высокие концентрации кислорода отмечены также на больших высотах. Например, при работе на уровне приблизительно от 12 км до 15 км (от 40 000 до 50 000 футов) над уровнем моря подходящие концентрации марганца составляют от 0,00026 до 1,06 г/л (0,001 до 4,00 г/гал). На меньшей высоте, составляющей приблизительно от 1,5 до 6 км (от 5 000 до 20 000 футов) над уровнем моря желательная концентрация марганца составляет примерно от 0,00026 до 0,13 г/л (0,001 до 0,50 г/гал), более предпочтительно от 0,033 до 0,13 г/л (от 0,125 до 0,50 г/гал). Тем не менее, в частности, могут быть рассмотрены концентрации, выходящие за пределы этих интервалов, в особенности, при улучшенной работе.

В соответствии с настоящим изобретением концентрации металлосодержащего соединения и кислорода были определены путем оптимизации горения композиции в рабочих условиях системы.

Пример 37

Авиационное топливо для турбореактивных двигателей, соответствующее ASTM D 1655, содержащее диизопропиловый эфир или диметилкарбонат и смесь, представляющую собой от 0,5 до 4,5%, от 1,0 до 2,0 мас.% кислорода в композиции и от 0,015 до 0,125 г Mn/л (от 1/64 до 1/8 г Mn/гал) трикарбонила циклопентадиенил марганца.

Пример 38

Авиационное топливо для турбореактивных двигателей, соответствующее ASTM D 1655, содержащее диизопропиловый эфир и/или диметилкарбонат или смесь, представляющую собой от 0,5 до 20,0% кислорода мас. в композиции и от 0,00026 до 1,32 г Mn/л (от 0,001 до 5,0 г Mn/гал) трикарбонила циклопентадиенил марганца.

Пример 39

Соответствует примеру 38, за исключением того, что топливо сжигают в авиационном реактивном двигателе, работающем на высоте 1,5 км (5 000 футов) над уровнем моря.

Пример 40

Соответствует примеру 38, за исключением того, что топливо сжигают в авиационном реактивном двигателе, работающем на высоте 6 км (20 000 футов) над уровнем моря.

Пример 41

Соответствует примеру 38, за исключением того, что диметилкарбонат составляет в композиции 25 мас.% кислорода, а концентрация трикарбонил циклопентадиенил марганца составляет более 0,26 г Mn/л (1,0 г Mn/гал).

Пример 42

Соответствует примеру 38, за исключением того, что топливо сжигают в авиационном реактивном двигателе, работающем на высоте 12 км (40000 футов) над уровнем моря.

Пример 43

Соответствует примеру 38, за исключением того, что диметилкарбонат присутствует в композиции при содержании кислорода примерно от 0,1 до 3,0 мас.%.

Пример 44

Примеры 37-43, в которых композиция содержит монометиловый эфир этиленгликоля в концентрации от 0,1 до 0,15 об.%.

Пример 45

Соответствует примеру 38, в котором работа проходит на высоте свыше 18 км (60000 футов) над уровнем моря, при этом содержание кислорода диметилкарбоната составляет от 3,0 до 15,0%, а концентрация металла составляет от 0,13 до 2,6 г/л (от 0,5 до 10,0 г/гал), в результате чего температура двигателя понижена по меньшей мере на 5,5 - 212°С (10-400°F) или больше по сравнению с известными способами.

Пример 46

Способ работы реактивного двигателя на большой высоте, включающий смешение авиационного реактивного топлива с компонентом УГС, составляющим от 0,01 до 30,0 мас.% кислорода в композиции, в сочетании с улучшающим горение количеством металлосодержащего соединения с высоким выделением энергии, работа указанного двигателя на высоте свыше 12 км (40000 футов), предпочтительно от 18 до 30 км (от 60000 до 100000 футов) или выше, выпуск газов сгорания во входное отверстие турбины, в результате чего температура газа на входе понижается ниже 1200 К или лучшего известного способа по меньшей мере на величину от 0,5 до 25,0% или больше, и/или давление на входе в турбину повышается по сравнению с существующими методами на величину от 0,5 до 40,0%, и/или тепловой кпд повышается на величину от 0,5 до 20,0% или выше по сравнению с известными методами.

Пример 47

Авиационное топливо для турбореактивных двигателей, удовлетворяющее ASTM D 1655 и содержащее насыщенные кислородом соединения УГС, в при этом полученное топливо содержит от 0,5 до 4,0 мас.% кислорода, и по меньшей мере одно соединение трикарбонил циклопентадиенил марганца в концентрации 0,03 г Mn/л (1/8 г Mn/гал).

Пример 48

Комбинация, представляющая собой авиационный турбореактивный двигатель и авиационное топливо для турбореактивных двигателей, удовлетворяющее ASTM D 1655 и содержащее насыщенные кислородом соединения УГС, при этом полученное топливо содержит от 0,5 до 5,0 мас.% кислорода, и по меньшей мере одно соединение трикарбонил циклопентадиенил марганца в концентрации 0,03 г Mn/л (1/8 г марганца/гал), в результате чего образование свободного углерода в зоне первичного горения понижено и значительно уменьшены температуры на входе.

Пример 49

Комбинация примера 48, в которой понижена температура горения или уменьшены тепловые нагрузки на обкладку и/или увеличен срок службы турбодвигателя.

Пример 50

Комбинация примера 48, в которой тепловой кпд повышен по меньшей мере на 2%.

Таким образом, одним из примеров реализации настоящего изобретения является применение разработанных заявителем базовых топлив УГС в сочетании с усовершенствованными камерами сгорания, имеющими меньшее отношение длины камеры сгорания к диаметру корпуса по сравнению с известными камерами сгорания; пониженное удельное потребление топлива при меньшем диаметре корпуса; меньший диаметр корпуса при меньших потерях давления и большем давлении горения; более высокое давление горения в отсутствие повышения температур на входе в турбину или температур обкладки; уменьшенные размеры жаровых труб, не уменьшающие эффективность горения, подъемную силу или экономию топлива; камеры сгорания низкого давления с пониженными размерами жаровых труб, не понижающими эффективность горения, подъемную силу или экономию топлива; больший диаметр камеры сгорания при увеличенной подъемной силе; больший диаметр камеры сгорания с более короткими жаровыми трубами при повышенных кпд горения; уменьшенный диаметр камеры при отсутствии увеличения потери давления; камеры сгорания с уменьшенными потерями давления; двигатели с низкими компрессионными числами; подъемные двигатели с низкими компрессионными числами; двигатели с высокими компрессионными числами при отсутствии вредного повышения температуры стенки жаровой трубы (следовательно, при уменьшении требований к пленочному воздушному охлаждению); камеры сгорания, в которых кпд горения в первичной зоне выше, чем обычный кпд; камеры сгорания, в которых первичнаоя зона обеднена или предназначена для слабого горения топлива и др.

Пример 51

Комбинация авиационного топлива на основе УГС для турбореактивных двигателей и реактивного двигателя, отличающаяся тем, что горение указанного топлива происходит в подъемном двигателе низкого давления, в котором длина жаровой трубы двигателя уменьшена мо меньшей мере на 10% при отсутствии ухудшения подъемной силы или кпд горения.

Пример 52

Комбинация авиационного топлива для реактивных турбин на основе УГС и реактивного двигателя, отличающаяся тем, что горение указанного топлива происходит в подъемном двигателе высокого сжатия, в котором температура стенок жаровых труб двигателя уменьшена при повышении теплового кпд по меньшей мере на 5%.

Конкретный пример реализации настоящего изобретения заключается в применении предложенного заявителем топливных композиций, улучшающих горение, в сочетании с традиционными или усовершенствованными камерами сгорания авиационных турбореактивных двигателей, которые на большой высоте, включая высоту, превышающую 12 км (40000 футов), характеризуются повышением кпд горения на 5% или больше, по сравнению с топливным компонентом, работающим на той же высоте и/или на уровне моря.

Дополнительным примером реализации изобретения является понижение общей протяженности зоны разбавления в камере сгорания при одновременном уменьшении температур выходящего потока. Так, в соответствии с изобретением предпочтительная длина зоны разбавления составляет от 1,5 до 2,0 от ширины жаровой трубы, в особенности в двигателях, предназначенных для полетов на большой высоте. Другие предпочтительные длины зон разбавления составляют от 0,9 до 1,5; от 1,2 до 1,7; от 1,3 до 1,7; от 1,4 до 1,6 от ширины жаровой трубы.

Таким образом, один из примеров реализации изобретения заключается в применении камер сгорания, в которых длина зоны разбавления составляет от 1,4 до 1,6 от общей ширины жаровой трубы при одновременном улучшении кпд горения на больших высотах. Предложенные кпд горения составляют более 2% при высотах, превышающих 6 км (20000 футов).

Для предотвращения локального разрушения турбинных лопаток в соответствии с еще одним примером реализации изобретения предложено такое топливо УГС и осуществление такой работы реактивной камеры сгорания, при которой температура выходного потока (температура на входе в турбину) составляет менее 1200 К.

Еще одним примером реализации является работа таких систем при температурах на входе в турбину, не превышающих приблизительно 1200 К, 1100 К, 1050 К, 1000 К, 950 К, 900 К, 850 К или меньше. Другим примером реализации является работа таких систем при температурах ниже 800 К или ниже, если это необходимо.

Тем не менее, для того чтобы максимально реализовать преимущества изобретения, желательно, чтобы максимальные температуры потока, выходящего из камеры сгорания (то есть максимальных температур на входе в турбину), не превышали 1100 К. Предпочтительно также, чтобы средние температуры газа примерно соответствовали максимальной температуре на входе в турбину для создания эффективного выхода энергии двигателя.

Пример 53

Способ понижения потребления конкретного топлива, включающий сжигание топлива УГС и/или топлива УГС + топливный компонент в кольцевой, трубчатой или трубчато-кольцевой камере сгорания, в которой длина зоны разбавления составляет примерно 1,5 от ширины жаровой трубы, в результате чего потребление конкретного топлива понижается.

Пример 54

Кольцевая камера сгорания из примера 53, отношение длины которой к диаметру корпуса понижено при увеличении подъемной силы и/или кпд топлива по сравнению с известными способами.

Пример 55

Примеры 53 и 54, в которых топливо УГС содержит большую часть авиационного реактивного топлива ASTM и меньшую часть, состоящую из диметилкарбоната совместно с улучшающим горение количеством по меньшей мере одного бессвинцового металлосодержащего соединения.

Пример 56

Примеры 53-54, в которых камера сгорания работает на композиции углеводородного топлива, содержащего большую часть углеводородного топлива и меньшую часть, состоящую из диметилкарбоната в сочетании с улучшающим горение количеством по меньшей мере одного циклического трикарбонила марганца, при температурах выходного потока меньше 1100 К.

Пример 57

Примеры 53-54, в которых камера сгорания работает на по существу чистой топливной композиции, содержащей диметилкарбонат и улучшающее горение количество по меньшей мере одного бессвинцового металлосодержащего соединения.

Пример 58

Пример 57, в котором топливная композиция дополнительно содержит поставляемое на рынок авиационное реактивное топливо.

Пример 59

Примеры 53-58, в которых полезная работа увеличена и срок службы камеры сгорания повышен по меньшей мере на 10%.

Пример 60

Камера сгорания из примеров 51-59, в которой эффективность горения на высоте 9 км (30000 футов) на 2% выше, чем у существующих двигателей.

Пример 61

Камера сгорания из примеров 59-60, в которой полученные давления и/или скорости вращения турбины на 5-20% выше, чем у существующих двигателей.

Предложенные заявителем результирующие топлива и/или компоненты авиационного топлива для турбин могут быть неэтилированными или по существу неэтилированными. Однако известные добавки, соответствующие ASTM, военным или международным стандартам, также могут содержаться в композиции. В соответствии с изобретением авиационные топлива для турбин, предложенные заявителем, также соответствуют или по существу соответствуют ASTM. В описании даны ссылки на текущую спецификацию ASTM на топливо D 1655-93 (включая будущие издания), соответствующие ранние спецификации, стандарты ASTM, методы испытаний, военные и международные стандарты.

Предложенные в изобретении антиоксиданты включают алкилфенол и ароматические диамины со стерически защищенными фенольными и аминными группами.

Обычно предложенные заявителем антиоксиданты присутствуют в количествах, не превышающих 24,0 мг/л активного ингредиента (без учета массы растворителя). Указанные антиоксиданты выбирают из группы, включающей N, N-диизопропилпарафенилендиамин, 75% мин. 2,6-дитретбутилфенола + 25% макс. трет- и тритретбутилфенолов, 72% мин. 2,4-диметил-6-третбутилфенола + 28% макс. монометил и диметилтретбутилфенолов, 55% мин. 2,4-диметил-6-третбутилфенола + 45% макс. смеси трет- и дитретбутилфенолов.

Дополнительные антиоксиданты, которые модно использовать в этом изобретении, включают 2, 6-ди-трет-бутил-4-метилфенол, 6-трет-бутил-2,4-диметилфенол, 2,6-ди-третбутилфенол, 75% мин. 2,6-дитретбутилфенола + 25% макс. третбутилфенолов и тритретбутилфенолов, 72% мин. 6-третбутил-2, 4-диметилфенол + 28% макс. третбутилметилфенолов и третбутилдиметилфенолов, 55% мин. 6-третбутил-2,4-диметилфенол + 45% макс. смеси третбутилфенолов и дитретбутилфенолов, от 60 до 80% 2,6 диалкилфенолов + от 20 до 40% смеси 2,3,6-триалкилфенолов и 2,4,6-триалкилфенолов, 35% мин. 2,6-дитретбутил-4-метилфенола + 65% макс. смеси метил-, этил-, диметилтретбутилфенолов, 60% мин. 2, 4-дитретбутилфенола +40% макс. смеси третбутилфенолов, 30% мин. смеси 2,3,6-триметилфенола и 2,4,6-триметилфенола + 70% макс. смеси диметилфенолов, 55% мин. бутилированных этилфенолов + 45% макс. бутилированных метил- и диметилфенолов, 45% макс. 4,6-дитретбутил-2-метилфенола, 40% мин. смеси 6-третбутил-2-метилфенола + 15% макс. смеси других бутилированных фенолов. Другие ингибиторы, общая концентрация которых не превышает 1,0 фунт (без учета массы растворителя) на 5000 гал. топлива, включают 2,4-диметил-6-третбутилфенол, 2,6-дитретбутил-4-метилфенол, 2,6-дитертбутилфенол, 75% 2, 6-дитретбутилфенола, 10-15% 2,4,6-тритретбутилфенола, 10-15% ортотретбутилфенола, 72% мин. 2,4-диметил-6-третбутилфенола, 28% макс. монометил и диметил третбутилфенолов, 60% мин. 2,4-дитретбутилфенола, 40% макс. смеси третбутилфенолов. Возможно применение других концентраций за пределами этих интервалов, в особенности, в других областях применения изобретения и/или при использовании соединений УГС другой природы или в других концентрациях.

Композиция может содержать также пассиваторы металлов в предпочтительном количестве не выше примерно 5,8 мг/л (без учета массы растворителя), например, N,N'-дисалицили-ден-1,2-пропандиамин, N,N'-дисалицилиден-1,2-этандиамин или N,N'-дисалицилиден 1,2-циклогександиамин. Однако возможно применение концентраций за пределами указанных интервалов.

Рассмотрена также возможность применения добавок для повышения электропроводности в количестве, достаточном для повышения проводимости топлива до величины в интервале от 200 до 600 пикосименс/м в момент инжекции, например, ASA-3 (производства фирмы Royal Lubricants Corp, Roseland, NJ 07068) в концентрациях до 1 мг/л и "Stadius" 450 (зарегистрирован в качестве товарного знака и выпускается фирмой DuPont Petroleum Chemicals Div., Wilmington, DE 19898) в концентрациях до 3 мг/л.

В соответствии с настоящим изобретением в том случае, если потеря электропроводности топлива приводит к необходимости повторения обработки, добавки для повышения электропроводности следует вводить в следующих концентрациях: ASA-3 - 1 мг/л макс., Stadis 450 - 3 мг/л макс. В том случае, если проводится повторная обработка теми же добавками для повышения электропроводности, необходимые концентрационные пределы содержания ASA-3 составляют 2 мг/л макс., считая на общее количество, и для Stadis 450 - 5 мг/л макс., считая на общее количество. Если проводится повторная обработка при смене добавки для повышения электропроводности или когда предыдущая добавка неизвестна, ASA-3 можно добавлять в количестве не более 1 мг/л макс., a Stadis-450 не более 2 мг/л макс.

Рассматривается также возможность применения ингибитров коррозии. Например, могут быть использованы следующие антикоррозийные добавки.

Другие подходящие ингибиторы коррозии также могут быть использованы. При использовании в военных областях следует добавлять ингибиторы коррозии, соответствующие MIL-1-25017 в смеси с топливом сорта JP-8.

В настоящем изобретении рассмотрено, в частности, применение антиобледенителей топливных систем, например, в случаях, в которых необходимо понижение температуры замерзания. Температура замерзания особенно важна и должна быть достаточно низка для предотвращения затруднения протекания топлива через фильтр в двигатель при температурах, преобладающих на больших высотах. Температура топлива в баке самолета понижается со скоростью, пропорциональной длительности полета. Поэтому максимальная температура замерзания, допустимая для топлива, зависит от типа полета. Например, длительные полеты требуют использование топлива с более низкой температурой замерзания, чем короткие.

Предпочтительный антиоблединитель представляет собой монометиловый эфир этиленгликоля, соответствующий спецификации D 4171. Предпочтительные концентрации составляют примерно от 0,1 до 0,15 об.%. Однако могут быть использованы концентрации за пределами этого интервала. Дополнительные антиобледенители включают: Phillips PFA 55 MB 0,15 об.% и MIL-1-27686 0,15 об.% макс.

В соответствии с настоящим изобретением могут быть использованы дополнительные антиобледенители, включая спирты, сорастворители и другие, в частности, в тех случаях, когда соединения УГС имеют недостаточно низкую температуру плавления и/или когда температура текучести полученного топлива или температура его замерзания слишком высока.

Топливные спецификации предложенных в изобретении авиационных топлив для турбореактивных двигателей, как правило, соответствует представленным в таблице 1.

Предложенные в изобретении базовые топлива в авиационных двигателях, как правило, должны предпочтительно визуально не содержать нерастворенной воды, осадков и суспендированных веществ. Запах топлива не должен быть плохим или раздражающим. Не должно содержаться веществ, представляющих собой опасность в обычных условиях обращения, за исключением указанных особо.

Безопасность и экономичность работы воздушного транспортного средства требует использования сухих, чистых и не содержащих никаких загрязнений топлив.

Так, предложенные заявителем топлива для турбореактивных двигателей не должны содержать воды или, другими словами, быть безводными. Однако в некоторых случаях вода может содержаться в топливе, например, в виде эмульсий или при использовании других средств, например раздельной инжекции, которая используется для повышения скорости горения и/или диффузии пара.

Предпочтительно предложенные заявителем базовые топлива для авиационных двигателей термически стабильны при температуре 300°F, для снижения количества осадков, образованных в топливной системе двигателя при нагреве топлива. Термостабильность является важным свойством топлив для авиационных турбореактивных двигателей и потенциально оказывают влияние на поддержание работы и управляемость двигателя. Осадки могут привести к забиванию топливных сопел, понижению эффективности работы теплообменников и вызвать неисправности в работе датчиков топлива. Так, соединения УГС не должны существенно влиять на термостабильность. Тем не менее соединения УГС, оказывающие воздействие на термостабильность также могут быть использованы, если будут приняты соответствующие контрмеры, например подходящие добавки (см. ниже) и/или определенные методики. См. Aviation Fuel: Thermal Stability Requirements, Perry W. Kirk-lin and Peter David, 1992.

Предпочтительно измерять термостабильность полученного топлива с помощью ASTM-C8C Fuel Coker через 5 часов работы при температуре 148,9° (300°F) предварительного подогрева, температуре на фильтре 204,4° (400°F) и скорости подачи топлива 2,7±0,05 кг/ч (6 фунтов/ч). Предпочтительные максимальные изменения давления составляют 304,8 мм рт. ст. макс. (12 дюймов), а осадки при предварительном нагреве - менее 3 по ASTM 1660. Такие топлива, как правило, имеют высокую стабильность при хранении.

Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением для повышения термостабильности настоящих топлив могут быть использованы способы получения топлива и/или процессы, в которых происходит удаление в максимально возможной степени реакционноспособных олефинов и соединений с гетероатомами.

Топливо может также содержать добавки, повышающие его термостабильность, включая JFA-5 производства Dupont в концентрациях макс. 3,42/10^-3 г/л (30 фунтов/1000 BBL). Дополнительные добавки также могут быть использованы в соответствии с ASTM D 1655.

Предпочтительные топлива, предложенные заявителем, имеют такой состав, который позволяет снизить образование сажи, повысить эффективность горения и избежать отрыва пламени.

Как правило, углеводородные парафины предполагают максимально возможную чистоту сгорания для реактивных топлив. Другими наиболее предпочтительными углеводородами являются нафтены. Хотя олефины, как правило, имеют хорошие характеристики горения, их низкая устойчивость к смолообразованию и термостабильность обычно ограничивают возможностьих использования в топливах для турбореактивных двигателей. В настоящем изобретении их применение ограничивается 5 об.% или меньше. Однако предпочтительно содержание 1% или меньше.

Если не использовать преимуществ предлагаемого изобретения, наименее предпочтительными характеристиками горения для авиационного топлива обладают ароматические соединения. При использовании в авиационных двигателях они сгорают дымным пламенем и выделяют большую часть химической энергии в виде нежелательного термического излучения по сравнению с другими углеводородами. Нафталены или бициклические ароматические вещества выделяют больше сажи, дыма и термического излучения, чем моноциклические ароматические соединения и поэтому представляют собой наименее предпочтительный класс углеводородов для реактивных двигателей.

Для составов, предложенных в настоящем изобретении, измеренная с помощью люминометра яркость, характеризующая излучение и повышение температуры пламени в определенных условиях и зависящая от типа углеводорода, составляет минимум 45.

Предпочтительно высота некоптящего пламени, которая является показателем относительной способности к образованию дыма для реактивных топлив и зависит от типа углеводорода в топливе, составляет минимум 25 мм. Как правило, чем выше ароматичность реактивного топлива, тем больше дыма дает пламя.

Предпочтительно также, если нафталены составляют не более 3 об.% в композиции. Более предпочтительны еще более низкие концентрации нафталенов. В соответствии с изобретением нафталены включают нафтален, аценафтален и алкилированные производные этих углеводородов в реактивных топливах, содержащие не более 5% таких соединений и имеющие температуру кипения ниже 316°C (600°F). Предпочтительны концентрации нафталенов ниже 3%. Еще более предпочтительны более низкие концентрации.

Объемные концентрации ароматических веществ предпочтительно составляют менее 22 об.%. Максимальные концентрации ароматических веществ в керосиновых топливах составляют 20% или меньше. Предпочтительны более низкие концентрации. При отсутствии настоящего изобретения сжигание высокоароматичных реактивных топлив, как правило, приводит к образованию дыма и углерода или сажи.

Содержание водорода в топливе также является важным элементом настоящего изобретения. В соответствии с изобретением предпочтительно также, чтобы общее содержание водорода было не меньше 13,4 мас.% от массы топлива. Предпочтительная концентрация составляет 13,8 мас.%. Более предпочтительная концентрация выше 14 мас.%. Возможны также концентрации, выходящие за пределы этих интервалов. Плотность топлива также является важной характеристикой при измерении расхода топлива и определении соотношения масса/объем при коммерческих операциях. Так, предложенные топлива должны легко течь при нормальных рабочих условиях. Плотность топлива, в частности, полезна при эмпирических оценках теплоты сгорания, а также других параметров, например, анилиновой точки или точки дистилляции. Низкая плотность может указывать на низкое удельное теплосодержание на единицу объема. Предпочтительная плотность предложенных топлив для реактивных двигателей составляет приблизительно от 750 до 840 кг/м при 15° С.

Аналогично чистая теплота сгорания предложенных топлив, определяющая работу самолета и его двигателя, зависит от эффективности преобразования тепла в механическую энергию. Как уже отмечено, чистая теплота сгорания выше в предпочтительных примерах реализации настоящего изобретения.

Однако примеры реализации настоящего изобретения рассматривают также и минимальную теплоту сгорания. Рассматривается минимальная теплота сгорания 42,8 МДж/кг. Часто предпочитают более высокие теплоты сгорания, включая превышающие 43,0 МДж/кг. Однако неожиданно высокая эффективность превращения тепла в механическую энергию позволяет использовать топлива, имеющие чистую теплоту сгорания ниже 42,8 МДж/кг, в особенности, при увеличении объемного содержания в композиции компонента УГС.

Летучесть топлива, легкость испарения при различных температурах определяются параметрами дистилляции. 10% фракция дистиллята обеспечивает легкое стартование. 90% фракция ограничивает содержание тяжелых фракций, которые затрудняют испарение. Предпочтительная температура Т-90 не должна превышать 250°С, хотя более низкие температуры несколько более предпочтительны.

Давление паров топлива должно быть достаточным для того, чтобы исключить пенообразование, малую подвижность топлива и потерю легких фракций через вентиляцию в топливном баке на больших высотах. Это имеет большое значение по отношению к топливу Jet В, поскольку оно имеет высокую летучесть.

Вязкость жидкости является мерой ее сопротивления текучести. Особенно большое значение она имеет в топливах для турбин, поскольку она характеризует как относительную легкость, с которой топливо может перетекать или быть перекачено, так и легкость атомизации при распылении. Минимальная вязкость также ограничена, поскольку некоторые топливные насосы не могут работать удовлетворительно, если вязкость достигает особо низкого значения, в частности при пониженных температурах. Максимальная вязкость также ограничена, поскольку она может вызвать избыточные потери давления в трубопроводной системе, а также слабую атомизацию топлива. Так, предпочтительная вязкость предложенных топлив должна быть достаточной для обеспечения его способности к перекачиванию в заданных рабочих температурных условиях и соответствовать схеме его распыления.

Желательно также ограничить содержание меркаптана для того, чтобы предотвратить нежелательные реакции с эластомерами и уменьшить до минимума неприятный запах меркаптана. В соответствии с изобретением предпочтительное содержание серы меркаптана в топливе составляет 0,003% или меньше.

В настоящем изобретении желательно ограничить содержание серы в связи с образованием при горении оксидов серы, которые могут вызвать коррозию металлических частей реактивной турбины. Предпочтительное содержание серы составляет 0,3; 0,2-0,001, более предпочтительно ее отсутствие.

Полученный при реализации изобретения предпочтительный результат теста на коррозию по полоске меди, 2 часа при 100°С, не должен превышать 1. Это должно означать, что топливо не будет корродировать медь или любой сплав на основе меди в любой части топливной системы.

Для того чтобы избежать гидролиза некоторых кислородосодержащих веществ, коррозии и/или несовместимости материалов и/или избежать проблем, связанных с термической стабильностью, важно понизить кислотность топлива. Поэтому следует исключить из процесса любую остаточную минеральную кислоту, щелочь, кислоту или кислотообразующий материал/агент. При использовании кислоты или кислотообразующих соединений УГС, следует применить антиоксидант и/или нейтрализующие добавки. В соответствии с изобретением предпочтительная кислотность предложенных топлив должна быть минимальна и не превышать 0,1 мг КОН/г.

Предпочтительно также снизить до минимума содержание смолы и нелетучих осадков, оставшихся при испарении топлива. Большие количества смолы являются указанием на загрязнение топлива более высококипящими маслами или дисперсными частицами и обычно отражают плохое использование топлива.

Предложенные топлива для реактивных двигателей могут использоваться после хранения в течение различных периодов в разнооборазных климатических условиях при соответствии ASTM.

Предпочтительная точка вспышки, характеризующая максимальную температуру использования топлива и его хранения при отсутствии возгорания, должна превышать 38°С или более. Однако возможно использование топлива с более низкими точками вспышки.

Регулирование точки вспышки является важным аспектом настоящего изобретения. Если температуры вспышки должны быть понижены путем добавления соединений УГС, заменяющие соединения УГС и/или добавка могут быть использованы также для повышения точки вспышки. Рассматриваются также другие средства достижения приемлемых температур вспышки. Например, базовый компонент топлива может быть отогнан при более высоких температурах вспышки так, что комбинация соединений УГС и базового топлива будет соответствовать требуемой температуре вспышки по ASTM. Было обнаружено, что понижение общей концентрации некоторых соединений УГС с более низкой точкой вспышки также может оказаться эффективным. Рассмотрена возможность введения других добавок, включая соли, поверхностно-активные агенты и другие вещества, повышающие точку вспышки. Возможно также введение сорастворителя для решения проблем, связанных с точкой вспышки, давлением паров, водорастворимостью и гидролизом [77].

Как правило, предпочтительно, чтобы топливо не содержало поверхностно-активных агентов. Однако в некоторых случаях, например, для получения эмульсий или для повышения точки вспышки, они могут быть использованы.

Рассмотрим иллюстративный пример авиационного топлива для турбореактивных двигателей, предложенного в изобретении:

ПРИМЕЧАНИЯ:

1. Определение содержания серы меркаптана можно не проводить при осуществлении Doctor Test по ASTM D 484 с отрицательным результатом.

2. Точка замерзания топлива должна быть по меньшей мере на 6° F ниже минимальной температуры топлива на входе в двигатель.

3. Может содержать ароматические вещества до 25 об.%.

4. Допустимые топлива должны удовлетворять одному из следующих альтернативных требований или нескольким таким требованиям:

(а) Высота некоптящего пламени должна быть не ниже 25 мм по ASTM D 1322.

(б) Высота некоптящего пламени должна быть не ниже 20 мм по ASTM D 1322 при содержании в топливе не более 3 об.% нафталена по ASTM D 1840.

(в) При возникновении затруднений при выполнении пункта б) минимальная высота некоптящего пламени может быть понижена до 18 мм по ASTM D 1322 при содержании нафталена в топливе не более 3 об.% по ASTM D 1840.

Использование ароматических веществ и других средств, представленных в описании для модифицирования дистилляции и летучести, в определенных условиях применения обычно ограничено в отношении Jet А и Jet A1. Однако, тем не менее, они могут быть использованы в разрешенных случаях. Заявитель отмечает, что хотя ароматические соединения имеют некоторые преимущества для поддержания стабильности топлива и/или модификации летучести, их применение для регулирования температуры в топливах Jet А или Jet A1 ограничено, поскольку температура Т10 и конечная температура кипения этих топлив может изменяться только около 100°С.

Если нежелательные эффекты, связанные с использованием ароматических веществ, например, с образованием свободного углерода, значительно регулируются в соответствии с изобретением, их использование в других случаях может вызвать избыточное излучение пламени, образование дыма и разрушение эластомеров. Следовательно, их применение по возможности должно быть ограничено или исключено. Однако одним из вариантов изобретения является применение ароматических веществ за пределами предпочтительных концентраций при достижении существенного уменьшения излучения пламени, эмиссии и т.п.

ЖИДКИЕ ТОПЛИВА ДЛЯ ГАЗОВЫХ ТУРБИН И СООТВЕТСТВУЮЩИЕ СИСТЕМЫ

В настоящем изобретении специально рассмотрены жидкие топлива для газовых турбин иих использование в качестве топливных компонентов, включая топлива, удовлетворяющие соответствующим требованиям промышленности, производителей газойлевых турбин, стандарту ASTM D 2880 и др. Для примера можно привести технические условия ASTM D 2880-92 и D396 и D 975 (включая последующие издания), соответствующие ранние технические условия, соответствующие стандарты ASTM, методы испытаний, военные и международные стандарты.

Жидкие топлива, предложенные в настоящем изобретении, обладают такими же преимуществами, что и топлива для авиационных реактивных двигателей, в частности пониженным образованием углерода, пониженной температурой и более высоким тепловым кпд. Так, в настоящем изобретении рассмотрено неожиданное понижение энергии излучения, понижение температуры внутренней обкладки и соответствующее увеличение времени жизни бензиновых турбин. Кроме того, благодаря более высокому суммарному количеству тепла наблюдалось существенное улучшение утилизируемой энергии.

При использовании топлив для газовых турбин по сравнению с его использованием в авиационных реактивных двигателях особый упор делают на эффективность сгорания, потери низкого давления, длительную надежность, снижение эмиссии для широкого круга топлив, включая так называемые "грязные топлива", отложения золы и коррозию турбинных лопаток.

Основные системы сгорания газовых турбин, рассмотренные в настоящем изобретении, включают указанные ранее системы авиационных реактивных двигателей и другие камеры сгорания, имеющие широкое применение в промышленности и в производстве энергии на судах.

Таким образом, в настоящем изобретении рассмотрены камеры сгорания, включая камеры сгорания с диффузионным пламенем, каталитические камеры сгорания, камеры сгорания с предварительным смешением. В настоящем изобретении предпочтительны каталитические камеры сгорания.

В отличие от авиационных турбин, масса и портативность двигателей не являются критическими. Традиционны длительная надежность и доступность простых камер сгорания с несколькими соплами.

В качестве неограничивающих примеров, рассматриваемых в настоящем изобретении топливных систем, можно привести камеры сгорания, в которых зона первичного горения обеднена, или камеры, предназначенные для слабого горения топлива, судовые турбодвигатели с турбонаддувом, предназначенные для сжигания тяжелого бункерного топлива, высокотемпературные газовые турбины с промежуточным разбавлением газа, высокотемпературные газовые турбины с промежуточным высокотемпературным теплообменником, высокотемпературные газовые турбины с промежуточным теплообменом и разбавлением газа, высокотемпературные газовые турбины с повторным нагревом и т.п.

Основные задачи, решаемые предложенными в изобретении топливами для бензиновых турбин и систем сгорания, - улучшение теплового кпд, снижение выделения вредных веществ, снижение осаждения вредной золы и регулирование коррозии турбинных лопаток.

Неограничивающие примеры жидких топлив для газовых турбин, предложенные в настоящем изобретении, включают 4 сорта жидких топлив, указанных в технических условиях ASTM D 396 и D 975. В эту группу входит также сорт 0-GT, включающий нафты с низкой температурой вспышки. Несмотря на общую аналогию с топливами, предназначенными для использования в авиации, в частности керосиновым топливом, топлива, предложенные в изобретении для газовых турбин, имеют некоторые отличия, о которых пойдет речь ниже.

Тем не менее, основные принципы сгорания в реактивных двигателях и стационарных газовых турбинах аналогичны. Таким образом, предполагается, что практика и/или любые соответствующие описания авиационных реактивных турбин или описание любых упоминаемых топлив могут быть использованы в соответствии с предлагаемым изобретением.

Пример 62

Жидкое топливо для газовых турбин, включающее небольшую долю топлив УГС, предпочтительно содержащих диметилкарбонат в количестве, улучшающем горение и не содержащее свинца металлосодержащее соединение в количествах, улучшающих горение, и основную долю жидкого топлива для газовых турбин, при этом полученная композиция соответствуют стандартам ASTM D 2880, D 396, D 975, настоящим и будущим.

Пример 63

Пример соответствует примеру 62, в котором концентрация кислорода в полученной композиции изменяется в пределах примерно от 0,1% до 20,0 мас.%, более предпочтительное содержание кислорода составляет от 2,0 мас.% до примерно 6,0 мас.% и еще более предпочтительно 4,0 мас.%.

Пример 64

Пример соответствует примеру 62, в котором температура конечной точки кипения или Т90-температура понижены на 27,8, 55,6, 83,4, 111,2°С (на 50°F, 100°F, 150°F, 200°F), так что при этом температуры сгорания оказываются пониженными.

Пример 65

Пример соответствует примеру 62, в котором температура конечной точки кипения или Т90-температура понижены на 27,8, 55,6, 83,4, 111, 2°С (на 50°F, 100°F, 150°F, 200-F), так что при этом температуры сгорания оказываются пониженными в сочетании с присутствием соединений УГС.

Пример 66

Пример соответствует примеру 62, в котором композиция включает циклические соединения марганца в количестве примерно от 0,00026 до 0,5284 г Mn/л (0,001 до 2,00 г Mn/гал), предпочтительно от 0,00026 г Mn/л до 0,13 г Mn/л (0,001 до 0,50 г Mn/гал), еще более предпочтительно от 0,033 г Mn/л до 0,099 г Mn/л (от 0,125 до 0,375 г Mn/гал).

Пример 67

Состав жидкого топлива для газовых турбин, содержащий в качестве основной доли топливо УГС, предпочтительно включающее улучшающее горение количество диметилкарбоната и улучшающее горение количество трикарбонил циклопентадиенил марганца, и небольшую долю газойлевого топлива для турбин, при этом полученная композиция соответствует стандартам ASTM D 2880, D 396, D 975.

Пример 68

Пример соответствует примеру 67, в котором концентрация кислорода полученной композиции составляет примерно от 0,01% до 50 мас.%. Предпочтительный интервал содержания кислорода составляет от 6,0% до 40,0 мас.% в композиции.

Пример 69

Пример соответствует примеру 67, в котором циклические соединения марганца присутствуют в композиции в количестве примерно от 0,0164 до 0,73 г Mn/л (0,0625 до 3,00 г Mn/гал), предпочтительно от 0,066 до 0,396 г Mn/л (0,25 до 1,50 г Mn/гал), еще более предпочтительно от 0,033 до 0,099 г Mn/л (0,125 до 0,375 г Mn/гал).

Пример 70

Топливо УГС и базовый компонент топлива, выбранные из группы, включающей следующие сорта топлив для газовых турбин: 0-GT, 1-GT, 2-GT, 3-GT, 4-GT. При этом полученные топлива соответствуют техническим условиям ASTM D 2880.

Пример 71

Топливо УГС, содержащее улучшающее горение количество трикарбонил циклопентадиенил марганца и углеводородный компонент топлива, выбранный из группы, включающей жидкие топлива 0-GT, 1-GT, 2-GT, 3-GT, 4-GT для газовых турбин, при содержании кислорода в полученном топливе 4,5 мас.%.

Пример 72

Состав соответствует примеру 71, в котором полученная композиция удовлетворяет техническим условиям ASTM D 2880.

Пример 73

Состав примера 71, в котором конечная точка кипения полученной композиции, температуры Т90 и Т50 понижены по меньшей мере на величину от 5,56°С до 27,8°С (от 10°F° до 50°F), в результате чего сгорание улучшено и эмиссия понижена.

Пример 74

Комбинация топливной композиции, выбранной из группы, включающей сорта 0-GT, 1-GT, 2-GT, 3-GT, 4-GT топлива для газовых турбин, и системы сгорания жидкого топлива для газовых турбин, при этом полученная комбинация отличается тем, что указанное топливо содержит улучшающее горение количество диметилкарбоната и улучшающее горение количество трикарбонил циклопентадиенил марганца (ТЦМ), в результате чего понижено образование углерода в зоне первичного горения при горении указанной композиции.

Пример 75

Комбинация примера 74, в которой используют средства распыления топлива, в результате чего средний размер капель топлива составляет менее 70 мкм.

Пример 76

Комбинация примера 74, в которой используют средства распыления топлива, в результате чего средний размер капель топлива составляет менее 40-60 мкм.

Пример 77

Примеры 75, 76, в которых образование свободного углерода понижено так, что температура внутренней обкладки понижена с соответствующим увеличением срока службы турбины.

Пример 78

Пример 74, в котором комбинация дополнительно содержит средства понижения температуры кипения композиции, температур Т90, Т50 и Т10, в результате чего понижено выделение вредных веществ.

Пример 79

Примеры 62-78, в которых составы подвергаются горению в газовой турбине с жаровой трубой, при этом температура газа на входе в турбину составляет менее 650°С.

Пример 80

Примеры 62-78, в которых составы подвергаются горению в газовой турбине с жаровой трубой, при этом температура газа на входе в турбину составляет менее 550°С.

Пример 81

Примеры 62-80, в которых составы подвергаются горению в газовой турбине с жаровой трубой, при этом длина зоны разбавления составляет от 1,4 до 2,0 (1,4 до 1,6) от общей длины жаровой трубы, при температуре газа на входе в турбину менее 650°С.

Пример 82

Примеры 62-81, в которых композиции подвергают горению в турбине с жаровой трубой, при этом длина зоны разбавления составляет примерно 1,5 от общей ширины жаровой трубы при температуре газа на входе в турбину менее 650° С и при повышении давления на входе и/или при скорости вращения турбины на 2% -10% по сравнению с существующими системами.

Пример 83

Примеры 62-81, в которых композиции подвергают горению в турбине с жаровой трубой, при этом температура газа на входе в турбину составляет 550°С или менее, при повышении давления на входе и/или скорости вращения турбины на 2% - 10% по сравнению с существующими системами в тех же условиях.

Физические свойства предложенных в данном изобретении компонентов топлив и полученного жидкого топлива, как правило, соответствуют указанным в технических условиях ASTM D 2880, D 396 и D 975.

Например, опыт эксплуатации газовых турбин показал, что основную проблему составляет содержание золы в топливах. Так, необходимо регулировать некоторые химические свойства топливной золы, поскольку присутствующие в ней шлакообразующие вещества могут вызвать коррозию и осаждение осадков на деталях турбины, которая должна работать при температурах поверхности 593°С и выше. Один из вариантов реализации настоящего изобретения представляет собой топливо с низким содержанием или отсутствием золы.

Выше указаны различные сорта топлив для газовых турбин по шкале ASTM, включая сорта 0-GT - 4-GT. Сорт 0-GT включает нафту, Jet В и другие легкие углеводородные жидкости, которые характеризуются низкой температурой вспышки и низкой вязкостью по сравнению с керосином и жидкими топливами. Сорт 1-GT представляет собой легкий дистиллят жидкого топлива, пригодный для использования почти во всех газовых турбинах. Сорт 2-GT, представляющий собой более тяжелый дистиллят, чем 1-GT, можно использовать в газовых турбинах, не требующих высокой чистоты сгорания, как для топлива 1-GT.

Для сорта 2-GT может потребоваться устройство для нагрева топлива в зависимости от конструкции системы или от температуры окружающего воздуха или от обоих этих факторов.

Дополнительные сорта жидкого топлива для газовых турбин включают следующие: сорт 3-GT, который может представлять собой более тяжелый дистиллят, чем сорт 2-GT, или остаточное жидкое топливо, удовлетворяющее требованию низкого содержания золы, или смесь дистиллята с остаточным жидким топливом. При использовании сорта 3-GT почти во всех установках требуется нагрев этого топлива.

Сорт 4-GT включает большую часть остаточных топлив и некоторую часть неочищенных топлив. Вследствие широкого интервала свойств и отсутствия контроля за свойствами сорта 4-GT желательно уточнить свойства этого сорта перед использованием.

В соответствии с настоящим изобретением могут быть использованы различные топлива для газовых турбин, полученные в соответствии с различными техническими условиями и выпускаемые на рынке под различными наименованиями. Однако предпочтительными являются топлива, удовлетворяющие стандарту ASTM D 2880.

Предпочтительные топливные компоненты для газовых турбин в соответствии с настоящим изобретением представляют собой гомогенные смеси углеводородных топлив, свободных от неорганических кислот и от избыточного количества твердых или волокнистых посторонних веществ, которые могут привести к необходимости частой очистки. Предпочтительно, чтобы все сорта жидкого топлива для турбин оставались гомогенными при нормальных условиях хранения и не разделялись на легкую и тяжелую фракции вне интервалов вязкости данного сорта.

Жидкие топлива для газовых турбин в соответствии с изобретением в первую очередь представляют собой углеводороды. Предпочтительно также, чтобы топливный компонент жидкого топлива для газовых турбин не содержал загрязняющих примесей. В настоящем контексте загрязняющими примесями считаются посторонние вещества, которые могут вызвать трудности при использовании топлива или привести к тому, что оно будет в меньшей степени пригодно или вообще непригодно для данного применения.

Различные сорта жидкого топлива для газовых турбин, рассмотренные в настоящем изобретении, должны удовлетворять условиям, представленным в таблице 2. Условия для сортов 1-GT и 2-GT во многих отношениях соответствуют условиям для топлив 1 и 2 стандарта ASTM D 396 и сортам ID 2D ASTM D 975. Интервал вязкости сортов 3-GT и 4-GT охватывает соответствующие интервалы вязкости сортов 4, 5 и 6 ASTM D 396 и сорта 4D ASTM D 975.

В соответствии с настоящим изобретением необходимо, чтобы топлива удовлетворяли стандартам ASTM D 396 и D 975. Не исключающие примеры подходящих топлив, удовлетворяющих данным условиям, представлены в таблице 2.

ПРИМЕЧАНИЯ:

^а По согласованию между покупателем, продавцом и производителем в спецификацию могут быть внесены изменения отдельных ограничительных требований для того, чтобы продукт удовлетворял специальным рабочим условиям.

^б Газовые турбины с устройством рекуперации избыточного тепла могут потребовать введения ограничений на содержание серы в топливе для предупреждения холодной коррозии. Содержание серы может также регулироваться требованиями защиты окружающей среды в некоторых регионах США и других стран.

^в Указанные методы испытаний являются апробированными поверочными испытаниями. Другие приемлемые методы указаны в 6,1.

^г No. 0-GT включает нафту, топливо Jet В и другие летучие углеводородные жидкости.

No. 1-GT, как правило, по физическим свойствам соответствует спецификации D-396 на No.1 и спецификации D 975 на дизельное топливо 1-D.

No.2-GT, как правило, по физическим свойствам соответствует D 396 No.2 и D-975 сорт 2-D дизельного топлива.

No.3-GT и No. 4-GT, как правило, по вязкости соответствует D 396 сортам No.4, No.5 (легкий), No.5 (тяжелый), No.6, а по физическим свойствам соответствует D975 сорту 4-D дизельного топлива.

^д Если точка вспышки ниже 38°C (100°F) или кинематическая вязкость ниже 1,3 мм³/с при 40°C (104°F) или оба условия выполнены, производители турбин должны быть проинструктированы относительно мер безопасности и конструкции топливной системы.

^е Для обеспечения работы в холодную погоду точка текучести должна быть на 6°С ниже температуры окружающей среды, при которой работает турбина, за исключением случаев использования подогревающих устройств. Если температура текучести составляет менее 18°С для сорта No. 2-GT, минимальная вязкость должна составлять 1,7 мм³/с и точка выкипания 90% может быть опущена.

Может оказаться желательным выделение немарганцевых металлов из топливного компонента для турбин. Тем не менее, присутствие еще меньших следовых количеств других металлов в жидких топливах для газовых турбин может привести к улучшению службы турбины в течение длительного времени с точки зрения коррозии. Однако наличие исключительно низких количеств не УГС металлических примесей может ограничить пригодность топлива или повысить его стоимость. Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением металлы (кроме УГС-металлов) не должны присутствовать в топливе при содержании выше следовых. Например, в жидком газойле 0-GT и 3-GT содержание ванадия (если он не используется в качестве УГС-металла) не должно превышать 0,5 мг/кг, содержание натрия и калия (если они не используются в качестве УГС-металлов) в сумме не должно превышать 0,5 мг/кг, содержание кальция (если он не используется в качестве УГС-металла) не должно превышать 0,5 мг/кг. Предпочтительно также, чтобы содержание этих металлов не превышало 0,05-0,001 мг/кг. Однако, как было обнаружено, действие вредных примесей или эффект отих внесения с УГС-топливами может быть значительно смягчено.

Свинец не является предпочтительным при использовании в соответствии с данным изобретением и по возможности должен быть исключен. Однако он может присутствовать в следовых концентрациях в компонентах топлив для газовых турбин вследствие нормального использования, так что его содержание не должно превышать 0,5 мг/кг, предпочтительно 0,001 мг/кг.

Следует отметить, что натрий и калий можно использовать в сочетании с ванадием с образованием эвтектик, которые плавятся при таких низких температурах, как 566°С и/или могут быть использованы в сочетании с серой с образованием сульфатов, имеющих температуру плавления в интервале рабочих температур газовой турбины.

Эти соединения приводят к сильной коррозии и, как правило, не используются в газовых турбинах, работающих при температуре газа на входе выше 650°С. В соответствии с этим следует ограничивать содержание натрия и калия в сумме, однако содержание каждого элемента надо измерять отдельно.

В газовых турбинах, работающих при температурах газа на входе в турбину ниже 650°С, коррозия, обусловленная присутствием натриевых соединений, имеет меньшее значение и может быть дальше понижена при необходимости путем введения добавок на основе кремния, что и является предпочтительным примером реализации настоящего изобретения.

Использование натрия может оказаться успешным в некоторых областях использования турбин, поскольку он приводит к улучшению растворимости в воде осадков и, следовательно, облегчает промывку газовой турбины водой для сохранения рабочих характеристик турбины.

В настоящем изобретении рассмотрена возможность применения на практике в достаточных количествах натрия и калия при понижении температуры газа на входе для УГС-содержащих топлив для газовых турбин.

Кальций не представляет опасности с точки зрения коррозии, фактически он ингибирует корродирующее действие ванадия. Тем не менее, присутствие кальция может вызвать образование труднорастворимых осадков, которые сами по себе не являются отслаивающимися при отключении газовой турбины и плохо отмываются при промывке турбины водой. Благодаря тому, что в изобретении понижены температуры сгорания, кальциевые осадки не представляют проблем. Тем не менее, концентрация кальция в топливе не должна быть избыточной.

В том случае, если не использовать преимущества, предлагаемые в настоящей изобретении, ванадий может образовывать соединения, такие как пентоксид ванадия, который плавится при 691°С и может вызвать сильную коррозию всех высокотемпературных сплавов, используемых в турбинных лопатках.

В присутствии достаточного количества магния в топливе магний может соединяться с ванадием с образованием соединений с высокой температурой плавления и, таким образом, понижать скорость коррозии. Кроме того, осаждение золы на турбине может вызвать проблемы. Так, предпочтительным вариантом реализации изобретения является понижение температуры сгорания до уровня меньше 650°С.

Желательно также в присутствии ванадия в количествах выше следовых, либо в количестве более 0,5 мг/кг, либо при содержании, рекомендуемом производителями турбин, поддерживать массовое соотношение магния к ванадию в топливе не менее 3,0 для регулирования коррозии. Более того, при температурах газа на входе в турбину ниже 650°С, когда коррозия высокотемпературных сплавов менее важна, рекомендуется для профилактики использовать добавки на основе кремния для еще большего понижения скорости коррозии путем абсорбции и разбавления ванадиевых соединений.

Таким образом, особой задачей и предпочтительным примером реализации настоящего изобретения является работа устройств, в которых используется работа УГС-топлива при понижении температуры на входе менее 650°С или 600°С. Приемлема работа таких устройств при понижении температуры на входе в турбину менее 550°С или даже 400°С при благоприятных обстоятельствах. Предполагается, что эти пониженные температуры на входе в турбину могут быть достигнуты при использовании УГС-топлив, предложенных в настоящем изобретении, или при понижении конечной температуры кипения и температуры Т90 фракций по способу, описанному ниже.

В частности, рассматривается также возможность пленочного охлаждения (эффузионного охлаждения) турбинных лопаток при необходимости для снижения высокотемпературной коррозии.

При использовании настоящего изобретения предпочтительной минимальной температурой вспышки топлив для бензинных турбин является 100°С. Для марок топлива 3-GT и 4-GT минимальная предпочтительная температура вспышки составляет 130°С. Приемлемы также температуры менее 100 и 130°С, однако они менее предпочтительны.

Предпочтительные температуры текучести топлив, заявляемых в изобретении, на 6°С ниже температуры окружающей среды, при которой работает турбина, за исключением тех случаев, в которых используется устройство для подогрева топлива.

Углеродный остаток является мерой углеродосодержащих материалов, остающихся в топливе после испарения из него всех летучих компонентов в отсутствие воздуха. В грубом приближении, имеется тенденция топлива к образованию углеродных осадков на камере сгорания газовой турбины. Системы сгорания, разработанные для использования сортов топлива 3-GT и 4-GT, являются нечувствительными к этому явлению, однако другие газовые турбины (включая авиационные реактивные двигатели) обычно накладывают ограничение на величину углеродного остатка. В соответствии с настоящим изобретением углеродный остаток для фракции 10% дистиллята (выраженный в % от массы золы в соответствии с ASTM) обычно не должен превышать 0,15 для сорта 0-GT и 1-GT и 0,35 для сорта 2-GT. Однако предпочтительнее более низкие массовые концентрации.

При увеличении скорости сгорания и при более низких температурах сгорания в соответствии с изобретением можно более эффективно регулировать осаждение углерода. Так, массовые концентрации остатков в топливе за указанными здесь пределами также могут быть приемлемы, посколькуих воздействие, по-видимому, будет смягчено благодаря использованию настоящего изобретения.

В соответствии с настоящим изобретением, в частности, рассматривается модификация температур дистилляции, в особенности в тех случаях, когда это на практике приводит к понижению конечной температуры кипения или температуры Т-90, регулированию или снижению температуры Т-50 и/или температуры Т-10 фракций дистиллята, что, в свою очередь, приводит к улучшению горения, снижению образования свободного углерода и/или дыма. Как было обнаружено, модификация летучести/температур дистилляции также приводит к снижению образования свободного углерода в зоне первичного горения, в особенности, в сочетании с использованием УГС-топлива, такого как диметилкарбонат и органо-металлические соединения.

В соответствии с настоящим изобретением кинематическая вязкость приблизительно соответствует или превосходит вязкость, указанную в условиях ASTM D 2880.

Сера, которая, как правило, сгорает с образованием диоксида серы, может быть частично окислена в триоксид серы, который затем может взаимодействовать с соединениями натрия и калия, присутствующими в золе, с образованием сульфатов, пиросульфатов и таких соединений, как трисульфат железа - натрия или калия. Пиросульфаты и трисульфаты характеризуются температурой плавления в рабочем интервале газовой турбины, следовательно, эти соединения вызывают сильную коррозию газовых турбинных лопаток.

Исторически считается непрактичным предотвращать коррозию путем ограничения содержания серы в топливе, поэтому коррозию этого типа регулируют путем ограничения содержания натрия и калия. Газовые турбины с утилизацией избыточного тепла могут потребовать дополнительного регулирования содержания серы для предотвращения холодной коррозии.

Однако в соответствии с данным изобретением, желательно ограничить концентрации серы в максимально возможной степени. Желательны концентрации серы, не превышающие 0,4 мас.%. Еще более предпочтительными являются концентрации серы от 0,1 мас.% до 0,05 мас.% и ниже. Предпочтительны также такие содержания, как 0,01 мас.%. В особенности предпочтительны топлива, не содержащие серы или почти не содержащие серы.

Однако в соответствии с настоящим изобретением, которое позволяет достигать пониженной температуры горения, окисление серы и сопутствующие проблемы коррозии не так важны и их можно эффективно регулировать. При этом допустимы более высокие концентрации серы при благоприятных практических обстоятельствах.

ДИЗЕЛЬНЫЕ ЖИДКИЕ ТОПЛИВА И СИСТЕМЫ

Как уже указано, в настоящем изобретении рассмотрен широкий круг жидких дизельных топлив и соответствующих систем. Неограничивающие примеры топливных компонентов и полученных при этом топлив, включая топлива, удовлетворяющие ASTM D 975 (указанного для ссылки), промышленным, международным техническим условиям и/или техническим условиям ЕРА, сертификационным стандартам и/или правилам, настоящим и будущим, синтетических дизельных топлив, биодизельных топлив и других (см. табл.3). Неограничивающие примеры дизельных двигателей, рассматриваемые в настоящем изобретении, включают двигатели с косвенной инжекцией, усовершенствованные двигатели с косвенной инжекцией и дизельные двигатели с опережением зажигания, двигатели с прямой инжекцией и др.

Еще одним примером реализации настоящего изобретения являются топлива, включающие реформированные дизельные топлива, качество которых соответствует промышленному или государственному стандарту.

Так, в соответствии с изобретением вводят УГС-топлива и топливный компонент дизельного топлива, так что полученные в результате топлива удовлетворяют указанным стандартам, настоящим и будущим. В соответствии с настоящим изобретением содержание марганца в полученных дизельных композициях может изменяться от 0,0026 до 2,6 г Mn/л (от 0,001 до 10,00 г Mn/гал); от 0,0026 до 1,84 г Mn/л (от 0,001 до 7,0 г Mn/гал); от 0, 0026 до 1,32 г Mn/л (от 0,001 до 5,0 г Mn/гал); от 0,0026 до 1,05 г Mn/л (от 0,001 до 4,0 г Mn/гал); от 0,0026 до 0,92 г Mn/л (от 0,001 до 3,5 г Mn/гал). Оптимальным содержанием марганца, по-видимому, является менее 1,32 г Mn/л (5 г/гал), менее 0,79 г Mn/л (3 г Mn/гал) или даже до 0,66 г Mn/л (2,5 г/гал). Однако могут быть использованы также концентрации более 2,6; 3,3; 3,9; 5,3; 6,0; 6,6; 6,8; 7,0; 7,3; 7,9; 8,3; 9,2; 10,5; 13,2 г Mn/л (10, 12, 15, 20, 22, 25, 26, 27, 28, 30, 31, 35, 40, 50 г Mn/гал). Для улучшения горения предпочтительный интервал содержания марганца составляет от 0,0026 до 0, 79 г Mn/л (от 0,001 до 3,00 г Mn/гал). Другие концентрации могут быть равны или превышать 0,0396; 0,00729; 0,0165; 0,033; 0,066; 0,0726; 0,099; 0,132; 0,165; 0,198; 0,235; 0,264; 0,298; 0,33; 0,363; 0, 396; 0,432; 0,495; 0,528; 0,561; 0,594; 0,629; 0,66; 0,693; 0,726; 0,752 г Mn/л (0,15625; 0,03125; 0,0625; 0,125; 0,25; 0,275; 0,375; 0,50; 0,625; 0,75; 0,875; 1,0; 1,125; 1,25; 1,375; 1,5; 1,625; 1, 874; 2,0; 2,125; 2,25; 2,375; 2,5; 2,625; 2,75; 2,875 г Mn/гал). Предпочтительный интервал составляет примерно от 0,0026 до 0,0039 г Mn/л (от 0,01 до 1,50 г Mn/гал). Другой предпочтительный интервал составляет примерно от 0,0026 до 0,0013 г Mn/л (от 0,01 до 0,50 г Mn/гал). Могут быть использованы также более низкие концентрации от 0,00026 до 0,066 г Mn/л (от 0,001 до 0,25 г/гал). Могут быть использованы также интервалы, превышающие 0, 165 г Mn/л (0,625 г/гал).

Однако, как указано выше, чем выше концентрация кислорода, содержащегося в топливе, в особенности совместно с УГС-соединениями, тем выше допустимые концентрации марганца. Концентрации марганца могут быть также увеличены для более тяжелых топлив. При совместном использовании соединений УГС и марганца наблюдается синергизм их действия, в частности при понижении температуры Т-90. Окончательный состав композиции определяется различными техническими условиями на топливо, рабочими условиями, требованиями окружающей среды и системами сгорания.

Как отмечено в изобретении, предпочтительное содержание кислорода в УГС-компонентах, которое приводит к хорошим результатам, как правило, превышает по меньшей мере 1 мас.% от массы дизельной композиции, и может быть равно или превышать 1,5%, 1,75%, 2,0%, что предпочтительно. Однако в соответствии с настоящим изобретением рассматриваются более низкие концентрации кислорода, включая концентрации менее 0,01 мас.%.

В соответствии с настоящим изобретением приемлемые концентрации кислорода от 0,01 до 0,05 мас.%. Предпочтительны концентрации кислорода от 0,01 до 1,5 мас.%. Наиболее предпочтительны концентрации кислорода от 0,5 до 5,0 и выше 1,5, и несколько более предпочтительны 1,5 мас.%. Приемлемые интервалы содержания кислорода в тех случаях, когда УГС-топливо составляет значительно меньшую часть или несколько большую часть, включают концентрации кислорода, составляющие 5,0%, 10%, 15%, 20% или более. В более крупных дизельных двигателях, включая дизели локомотивов, судовые двигатели и большие стационарные промышленные двигатели, предпочтительно, если топливо содержит 2 мас.% кислорода или более. В известных областях применения не указаны максимальные пределы содержания кислорода. Следовательно, в соответствии с настоящим изобретением рассматриваются концентрации кислорода, максимально повышающие преимущества настоящего изобретения.

Неожиданно было обнаружено, что эмиссия при сгорании дизельного топлива, включая дисперсные частицы, НС, СО и NO_x, существенно снижаются при использовании настоящего изобретения. Подобное снижение, по-видимому, тесно связано с повышением скорости горения и понижением температуры горения благодаря настоящему изобретению. Неожиданно также было обнаружено, что благодаря увеличению скорости горения и более низкой температуре горения можно регулировать шум дизельного двигателя, не затрагивая при этом экономичности и эмиссии.

Свойства торговых дистиллированных дизельных топлив зависят от способаих очистки и природы сырой нефти, из которых они получены. Так, они могут различаться как от региона к региону, так и внутри региона их получения. Такие топлива, как правила, имеют температуру кипения в интервале от 163 до 371°С (325-700°F). Их свойства могут представлять собой различные комбинации летучести, температуры вспышки, вязкости, содержания серы, плотности и других характеристик. Как уже указано, топлива в соответствии с данным изобретением включают:

Сорт с низким содержанием серы 1-D, который имеет специальное назначение и представляет собой легкий дистиллят для автомобильных дизельных двигателей, требующих низкого содержания серы и более высокой летучести, чем летучесть сорта с низким содержанием серы 2-D, и соответствует инструкции 40 CFR часть 80.

Сорт с низким содержанием серы 2-D общего назначения, представляющий собой средний дистиллят для автомобильных дизельных двигателей, требующих топлива с низким содержанием серы. Этот сорт подходит также для других областей применения, в особенности в условиях изменения скорости и нагрузки. Это сорт также соответствует инструкции CFR часть 80.

Сорта 1-D и 2-D, аналогичные по назначению соответствующим сортам с низким содержанием серы, за исключением того, что содержание в них серы жестко не регулируется.

Сорт 4-D, представляющий собой тяжелый дистиллят или смесь дистиллята и остаточной нефти, предназначенный для дизельных двигателей низкой и высокой скорости в неавтомобильных областях применения, включая предпочтительно постоянную скорость и нагрузку.

Тип С-В - дизельные топлива для городских автобусов и аналогичных областей применения.

Тип Т-Т - топливо для дизельных двигателей грузовых автомобилей, тракторов и аналогичных средств.

Тип R-R - топливо для железнодорожных дизелей.

Тип S-M - тяжелый дистиллят и остаточное топливо для больших стационарных и судовых дизельных двигателей.

В соответствии с изобретением углеводородные композиции предназначены для того, чтобы максимально увеличить преимущества их использования с точки зрения качества зажигания, теплотворной способности, летучести, плотности, стойкости к окислению и т. п. с соответствующим положительным воздействием на энергию, экономичность, изностостойкость, отложение осадков, стартование и выделение дыма в дизельных двигателях.

Поскольку дизельные топлива представляют собой сложные смеси различных отдельных углеводородов, важно также в соответствии с настоящим изобретением составить такое дизельное топливо, при котором была бы максимально повышена скорость горения и/или понижена температура горения.

Следует отметить, что при использовании УГС-дизельных топлив обычно происходит улучшение качества зажигания, что в свою очередь положительно влияет на стартование при низких температурах, разогрев, сгорание, ускорение, отложение осадков в тяжелых и легких дорожных условиях и плотность выхлопного дыма. Требования к качеству зажигания в двигателе зависят от его конструкции, размера, механических условий, рабочих условий, атмосферной температуры и высоты над уровнем моря. Тем не менее, улучшение качества зажигания выше требуемого уровня не приведет к существенному улучшению работы двигателя.

В соответствии с настоящим изобретением предпочтительно цетановое число 30, предпочтительно также цетановое число 40 или выше, в особенности в топливах с низким содержанием серы 1-D и 2-D. Оптимальное цетановое число в соответствии с настоящим изобретением составляет более 48. Также предпочтительны цетановые числа более 60 или 70.

На практике предпочтительно также при использовании дизельных топлив с низким содержанием серы D-1 и D-2 использовать индекс минимального цетанового числа, предел содержания высших ароматических компонентов 40 (при измерении по ASTM D 976) или содержание ароматических веществ, не превышающее 35 об.% (по стандарту ASTM D 1319). Более предпочтительны еще более низкие содержания ароматических веществ, как уже было указано. Предпочтительны содержания не выше 30 об.%, более предпочтительны менее 20% и наиболее предпочтительны менее 10%.

Однако важно, чтобы цетановое число не было слишком высоким, что может привести к увеличению выброса дисперсных частиц независимо от времени инжекции. Качество зажигания измеряют по стандарту ASTM D 613, Test Method for Ignition Quality of Diesel Fuels by Cetane Method.

ПРИМЕЧАНИЯ:

^А По согласованию между покупателем, продавцом и производителем в спецификацию могут быть внесены изменения отдельных ограничений для того, чтобы продукт удовлетворял специальным рабочим условиям.^Б Указанные методы испытаний являются апробированными поверочными испытаниями. Другие приемлемые методы указаны в 4,1.

^Б Сорта No.1-D, No.2-D, No.4-D должны содержать достаточное количество 1,4-диалкил аминоантрахинона (голубой краситель), так чтобы его присутствие было визуально заметно.

^Г Если температура мутности составляет менее -12°С, минимальная точка вспышки должна составлять 38°С, минимальная вязкость при 40°С - 1,7 мм²/с, а минимальная температура испарения 90% может не учитываться.

^Д Пределы содержания серы могут быть другими в некоторых регионах США и других стран.

^Е Указанные методы описаны в CFR 40 часть 80.

^Ж При отсутствии цетановых чисел по ASTM D 613 следует провести испытания по ASTM D 4737.

^З При низкой температуре окружающего воздуха или работе на больших высотах могут потребоваться топлива с более высокими цетановыми числами.

Невозможно указать такие низкотемпературные свойства, которые обеспечивали бы удовлетворительную работу при любой температуре окружающей среды. Однако удовлетворительная работа может быть достигнута во многих случаях, если точка мутности (или точка начала парафинизации) на 6°С ниже десятипроцентного минимума температуры окружающей среды для района использования топлива, указанного для США в Приложении Х2. Это правило является общим. Некоторые конструкции или условия работы могут потребовать более высоких или низких температур мутности. По согласованию между покупателем и поставщиком топлива в спецификацию могут быть внесены соответствующие низкотемпературные свойства для того, чтобы продукт удовлетворял специальным рабочим условиям.

Пример 84

Состав, содержащий улучшающее горение количество топлива УГС (предпочтительно содержащего диметиловый эфир диэтиленгликоля или диметиловый эфир диэтиленгликоля) и улучшающее горение количество соединения трикарбонил циклопентадиенил марганца и базовое дизельное топливо.

Пример 85

Композиция примера 84, содержащая улучшающее горение количество диметилового эфира метилена.

Пример 86

Композиция примера 84, содержащая улучшающее горение количество диметилового эфира.

Пример 87

Комбинация дизельного топлива, соответствующего ASTM D 975 и системы дизельного горения; указанная комбинация отличается тем, что топливо содержит улучшающее горение количество диметилкрбоната и/или диметиового эфира метилена, а также трикарбонил циклопентадиенил марганца в концентрациях примерно от 0,00026 до 0,66 г Mn/л (от 0,001 до 2,5 г Mn/гал) с получением топлива, характеризующегося улучшенным тепловым кпд и/или экономичностью.

Пример 88

Дизельная композиция No.2, представляющая собой небольшое количество улучшающего горение диметилкрбоната и циклического трикарбонила марганца и основное количество базового дизельного топлива, так что полученное топливо имеет цетановое число от 42 до 50 (предпочтительно существенно выше), содержание ароматических веществ менее 28 об.% (предпочтительно менее 20%, более предпочтительно 15%, наиболее предпочтительно менее 10%), температуру Т-90, составляющую 293-315°С (560° -600°F) (более предпочтительно менее 282, 271, 260°С (540, 520, 500°F или ниже), содержание серы от 0,08 до 0,12 мас.% (более предпочтительно 0,05% или вообще без содержания серы), плотность по API - 32-37 (более предпочтительно выше) и минимальную температуру вспышки 54,4°С (130°F).

Пример 89

Дизельная композиция No.2, представляющая собой небольшое количество улучшающего горение диметилкрбоната и циклического трикарбонила марганца и основное количество базового дизельного топлива, так что полученное топливо имеет цетановое число от 48 до 54 (предпочтительно существенно выше), содержание ароматических веществ менее 10 об.%, температуру Т-90, составляющую 238-271°С (460° - 520°F) (более предпочтительно менее 218°С (425°F или ниже), содержание серы от 0,08 до 0,12 мас.% (более предпочтительно 0,05% или вообще без содержания серы), плотность по API - 40-44 (более предпочтительно выше) и минимальную температуру вспышки 49°С (120°F).

Пример 90

Примеры 88-89, в которых топливо соответствует ASTM D 975.

Пример 91

Способ работы дизельного двигателя, включающий инжекцию топлива из примеров 88-90, включая замещенное топливо No.5 (тяжелое) посредством системы прямого инжектирования топлива высокого давления, при давлениях в интервале от 30 МПа до 120 МПа, при среднем размере частицы пара менее 70 мкм, более предпочтительно 40-60 мкм, с увеличением скорости горения.

Пример 92

Примеры 80-91, в которых система сгорания дополнительно содержит турбонагнетатель, систему рециркуляции выхлопных газов (РВГ), при этом в системе инжекции топлива использованы датчики расхода для регулирования скорости инжекции топлива и/или распределения моментов зажигания.

Пример 93

Примеры 80-92, в которых полученные выхлопные выбросы соответствуют правилам U.S. EPA Clean Air Act, включая 42 USC 7545 и последующие.

В соответствии с настоящим изобретением могут быть использованы промоторы зажигания, в отдельности и/или в сочетании с соединениями УГС, в частности, в топливах, для которых требуется более высокая температура зажигания, что удлиняет их период зажигания. Такие промоторы включают дитретбулилпероксид, алкилпероксид, алкилгидропероксид, добавки алкилнитрата, включая этилгексилнитрат и изопропилнитрат, 2,5-диметил-ди(третбутилперокси)гексан, третбутилкумилпероксид, ди(трет-ариламил) пероксид, третбутилгидропероксид, третамилгидропероксид и их смеси.

В соответсвии с настоящим изобретением при использовании дизельных топлив предпочтительнее, если содержание ароматических веществ и температуры Т-90 по возможности понижены.

В соответствии с настоящим изобретением предпочтительно, если высокая скорость смешения и запаздывание зажигания сочетаются с предварительно смешанным однородным содержащим УГС топливом, если это возможно. Однако при этом не следует использовать экстремальные значения, так чтобы это не привело к возникновению конструкционных проблем, обусловленных повышением давления в цилиндрах.

В настоящем изобретении также рассмотрены некоторые модификации двигателей, включая модифицированные конструкции камер сгорания, распределения моментов зажигания и отмеченных выше характеристик, в частности наддува или турбонаддува, особенно в сочетании с использованием двигателя прямой нижекции, а также с применением рециркуляции выхлопных газов и выхлопных газов после систем их обработки, включая ловушки, ловушки-окислители, регенерационные ловушки-окислители и катализаторы.

Пример 94

Сорт дизельного топлива No.2, характеризующийся низкой эмиссией, имеющий минимальное цетановое число 52, максимальное содержание серы 350 ppm (наиболее предпочтительно менее 0,05 мас.%), содержание ароматических веществ менее 30 об.% (более предпочтительно менее 15%), улучшающее горение количество диметилкарбоната и улучшающее горение количество циклического трикарбонила марганца.

Пример 95

Сорт дизельного топлива с низкой эмиссией, имеющий минимальное цетановое число 52, максимальное содержание серы 100 ppm, содержание ароматических веществ менее 12 об.%, температура Т90 475°, бромное число 0,10, улучшающее горение количество диметилкарбоната от 0,5 до 4,0% кислорода мас. и улучшающее горение количество циклического трикарбонила марганца.

Пример 96

Состав топлива в соответствии с примерами 94-95, в котором анилиновое число менее 62,8°С (145°F).

Пример 97

Сорт дизельного топлива с низкой эмиссией, имеющий минимальное цетановое число 62, максимальное содержание серы менее 0,01 мас.%, содержание ароматических веществ 10%, содержание олефинов 41 мас.% (предпочтительно менее 10%), температуру Т-90 268°С (514°F), бромное число 0,10, анилиновое число менее 62,8°С (145°F), улучшающее горение количество диметилкарбоната и/или диметилового эфира диэтиленгликоля (или диэтилового эфира диэтиленгликоля) и улучшающее горение количество циклического трикарбонила марганца.

Пример 98

Состав примера 97 для сжигания в двигателях большегрузных грузовых машин, при выделении НС, СО, NO_x и дисперсных частиц соответственно 1,3; 15,5; 4,5; 0,10 г/(л.с.·ч).

В соответствии с настоящим изобретением дизельные топлива имеют достаточную теплотворную способность для эффективной работы дизельных двигателей при улучшенном тепловом кпд. Плотность топлива в сочетании с его летучестью дает полезную информацию о составе этого топлива, что в свою очередь влияет на его теплотворную способность, мощность и экономичность, осаждение осадков, износ и выделение газов.

Как правило, мощность и экономичность дизельных двигателей напрямую не зависит от летучести топлива, хотя менее летучие топлива, предложенные в изобретении, обычно имеют более высокую теплотворную способность и, таким образом, косвенно влияют на рабочие факторы. С другой стороны стартование и разогрев улучшаются при высокой летучести, и осаждение осадков, износ и выхлопной газ в некоторых двигателях увеличиваются до 90% и конечных значений.

Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением предложена модификация летучести дизельных топлив, снижение конечной точки кипения, температур Т-90, Т-50 и Т-10 и других для улучшения эффективности сгорания и/или снижения выделения вредных веществ. Наиболее предпочтительно снижение конечной точки кипения и температуры Т-90.

Примером настоящего изобретения являются топлива, включая дизельные топлива, которые удовлетворяют по эмиссии стандартам ASTM, САА и другим государственным стандартам, настоящим и будущим.

Вязкость дизельного топлива может влиять на работу топливных систем. Низкая вязкость может привести к избыточному износу некоторых инжекционных насосов и потере мощности, вызванной подтеканием насоса инжектора. Высокая вязкость может привести к избыточному сопротивлению насоса или разрушению фильтра. Вязкость влияет также на распыление топлива. Так, в настоящем изобретении измеренная в мм/с при 40°С вязкость должна иметь минимальное значение 1,3; 1,9; 1,3; 1,9; 5,5 для дизельной марки с низким содержанием серы 1-D, с низким содержанием серы 2-D, 1-D, 2-D, 4-D соответственно. Максимальные величины не должны превышать 2,4; 4,1; 2,4; 4,1; 24,0 для дизельных марок с низким содержанием серы 1-D, с низким содержанием серы 2-D, 1-D, 2-D, 4-D соответственно. Тем не менее, в особенности следует отметить, что вязкости вне этих интервалов также приемлемы в настоящем изобретении, в особенности в сочетании с описанными соединениями УГС, топливами и/или механическими средствами данного изобретения.

В соответствии с настоящим изобретением топлива, которые не содержат добавки для понижения температуры текучести, имеют температуру текучести на величину, составляющую от 3°С (5°F) до 15°С (25°F), ниже точки мутности.

В соответствии с настоящим изобретением предпочтительны минимальные температуры вспышки 38°С для сортов 1-D и 52°С для сортов 2-D и 4-D. Однако приемлемы также температуры вспышки за пределами этих интервалов.

В соответствии с настоящим изобретением приемлемым содержанием серы является 500 ppm, однако предпочтительнее более низкие концентрации. Наиболее предпочтительными концентрациями являются 50 ppm или меньше. Массовое содержание серы составляет предпочтительно 0,05% или меньше, концентрации серы, составляющие 0,05 мас.% или меньше, требуются для сортов с низким содержанием серы 1-D и 2-D.

В соответствии с настоящим изобретением углеродный остаток в 10% кубовом остатке в % по массе обычно не превышает 0,15 для сорта 1-D и 0,35 для сорта 2-D. Однако предпочтительны более низкие концентрации. В соответствии с настоящим изобретением максимальное содержание золы по ASTM D 482 составляет 0,01 мас.%, за исключением сорта 4D, для которого оно составляет 0,1 мас.%. Предпочтительнее более низкое содержание золы. Тем не менее, низкие температуры сжигания в соответствии с настоящим изобретением смягчают проблемы, связанные с присутствием золы.

В соответствии с настоящим изобретением результат испытания по стандарту ASTM D Copper Strip Tarnish Test максимально составляет No.3.

Одним из примеров реализации настоящего изобретения являются дизельные топлива, безводные или по существу безводные, за исключением тех случаев, когда используют инжекцию смеси топливо/соединение УГС/вода илиих эмульсий.

Предпочтительно также, если дизельные топлива в соответствии с настоящим изобретением содержат уменьшенное количество продуктов окисления, которые образуются в процессе хранения и могут в свою очередь вызвать образование отложений, засорение фильтра и отложение лакообразного нагара на топливном насосе и частях инжектора.

В соответствии с настоящим изобретением рассматриваются добавки, включающие улучшители качества зажигания, ингибитор окисления, биоциды, предупредители образования накипи, пассиваторы металлов, вещества, понижающие точку текучести, деэмульгаторы, вещества, снижающие выделение дыма, детергенты-диспергаторы, улучшители проводимости, красители, антиобледенители и добавки для снижения или регулиования осадков на топливном инжекторе.

Например, рассмотрим детергент-диспергатор фирмы Техасо, представляющий собой замещенное амином производное высокомолекулярного полиизобутилена TFA 4681. На практике для сохранения топливных инжекторов и клапанов используют также дополнительные добавки, в том числе детергенты-диспергаторы, включая растворимые в топливе соли, амиды, имиды, оксаэолины и эфиры длинноцепных бикарбоновых кислот, замещенных алифатическими углеводородами илиих ангидриды, длинноцепные алифатические углеводороды с присоединенными к ним полиаминами, продукты конденсации Манниха, образованные путем конденсации фенола, замещенного длинноцепным алифатическим углеводородом, с альдегидом, предпочтительно формальдегидом, или аналогичные добавки.

Применяют также вещества, снижающие образование дыма, включающие органические соединения бария, в частности карбонат бария, на основе которого получают сульфонаты бария, N-сульфиниланилины.

Дополнительные вещества для регулирования отложения осадков включают полиэфирамин производства Oronite Chemical OGA-480, полиалкенилсукцинимид производства Ethil Corp. под названием HITEC 4450, полиизобутиленамин производства Oronite Chemical OGA-480 и другие.

Примеры добавок к дизельным топливам, их классы и функции представлены в таблице 4. При использовании любой системы, в которой используют разные добавки, следует принимать меры предосторожности для того, чтобы избежать несовместимости добавок и нежелательных взаимодействий, которые могут оказывать нежелательные эффекты.

Замечание:

Некоторые вещества могут также быть маркированы в качестве полифункциональных или многоцелевых добавок, выполняющих более чем одну функцию.

В соответствии с настоящим изобретением рекомендуется использование сорта 2-D или его эквивалента с низким содержанием серы при температуре окружающей среды выше -7°С (+20°). При очень низких температурах рекомендуется использование сорта 1-D или его эквивалента с низким содержанием серы, который обычно приводит к образованию меньшего количества кристаллов парафина и имеет более низкое туманообразование и температуру текучести.

В соответствии с настоящим изобретением рекомендуется использование топлива 2-D, которое является зимним или климатизированным. Такие топлива можно получить путем разбавления сорта 2-D сортом 1-D или керосином для снижения мутности и температуры текучести. Предпочтительно, чтобы точка мутности (точка появления парафина) составляла на 6°С (10°F) больше десятипроцентного минимума температуры окружающего воздуха района, в котором это топливо будет использоваться.

В соответствии с настоящим изобретением вещества, снижающие температуру текучести или улучшители текучести или модификаторы парафинообразования, могут быть использованы для изменения размера и/или формы кристаллов парафинаи, таким образом, минимизации проблем, связанных с холодной погодой. Тип и концентрация добавки должны быть оптимизированы для каждого конкретного топлива, при этом добавка должна быть тщательно смешана с топливом при температурах, достаточно превышающих температуру мутности. Поэтому такие добавки наиболее эффективны, если они смешаны поставщиками топлива, а не на месте эксплуатации оборудования. Эти добавки не могут снизить температуру мутности, однако они могут понизить температуру, при которой происходит забивание топливного фильтра, обусловленное наличием кристаллов парафина.

Свойства топлива, наиболее тесно связанные с образованием выхлопных выбросов, включают содержание ароматических веществ, летучесть, плотность, вязкость, цетановое число и присутствие некоторых элементов (например, водорода и серы). Повышенное содержание ароматических веществ вызывает увеличение образования дисперсных частиц (в особенности, растворимых органических частиц) и эмиссии углеводородов. Однако в соответствии с настоящим изобретением увеличение скорости сгорания и/или снижение температуры горения СМТ в значительной степени смягчают проблемы, связанные со свойствами топлива, приводящими к выбросу соединений, включая присутствие ароматических соединений в дизельном топливе.

Одной из задач настоящего изобретения является уменьшение нежелательных эффектов, связанных с выбросом углеводородов в дизельном топливе, поскольку, по мнению Заявителя, эта проблема полностью не решена.

Более высокие температуры дистилляции компонентов с более низким давлением паров( например, температуры Т-50 и Т-90) обычно приводят к более значительному выбросу дисперсных частиц, хотя для обычных интервалов содержания ароматических веществ и летучести, влияние летучести часто мало. Плотность топлива, вязкость, цетановое число и содержание водорода обычно зависят от летучести и содержания ароматических веществ.

В настоящем изобретении было обнаружено, что желательно поддерживать соотношение углерод/кислород ниже 0,5, как эффективное средство дополнительного регулирования выброса дисперсных частиц.

В настоящем изобретении предполагается, что использование усовершенствованных смазочных масел и технологий является дополнительным средством снижения выброса дисперсных частиц.

До сих пор считалось, что выброс NO_x и СО не зависит от модификации свойств топлива. Однако, как показано в настоящем изобретении, благодаря улучшенной скорости сжигания и пониженным температурам горения удалось неожиданно понизить выброс как NO_x, так и СО. Это является еще одним существенным шагом вперед по сравнению с известными техническими решениями.

ПРИМЕРЫ

С целью иллюстрации особенностей и целей изобретения проведен ряд испытаний бензинового топлива. (Автор отмечает, что эти испытания проведены в двигателе внутреннего сгорания с искровым зажиганием, однако основные признаки изобретения, а именно те из них, которые приводят к повышению скорости горения топлива и понижению температуры реакции, применимы ко всем рассмотренным автором системам сгорания, как будет показано ниже).

ИЗУЧЕННЫЕ ВИДЫ ТОПЛИВА

А. Топливо с МЕОН; 0,033025 г марганца в виде метилциклопентадиенилтрикарбонилмарганца (ММТ) на литр состава, 5 об.% метанола, 5 об.% этанола, остальное - базовый неэтилированный бензин.

Б. Топливо изо/гекс: 0,033025 г марганца в виде ММТ на литр, 10 об.% изопропанола, 10 об.% гексанола, остальное - базовый неэтилированный бензин.

В. Топливо с МТБЭ: 0,033025 г марганца в виде ММТ на литр, 14,6 об.% МТБЭ, остальное - базовый неэтилированный бензин.

Г. Топливо с ДМК: 0,033025 г марганца в виде ММТ на литр, 4,6 об.% диметилкарбоната, остальное - базовый неэтилированный бензин.

Д. Топливо с метилалем: 0,033025 г марганца в виде ММТ на литр, 7,2 об.% метилаля, остальное - базовый неэтилированный бензин.

Е. Топливо с ТГФ: 0,033025 г марганца в виде ММТ на литр, 1,6 об.% тетрагидрофурана, остальное - базовый неэтилированный бензин.

Ж. Топливо с высоким содержанием марганца (Mn): 0,5284 г марганца в виде ММТ на литр, 5 об.% метанола, остальное - базовый неэтилированный бензин.

3. Топливо с марганцем: 0,033025 г марганца в виде ММТ на литр, остальное - базовый неэтилированный бензин.

Н. Базовое топливо: неэтилированный бензин (чистое топливо).

МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЙ

Указанные виды топлива испытали на грузовом пикапе марки Шевроле С1500, 1988 года выпуска, с двигателем 350 CID М-8, имеющем дроссельно-корпусную систему впрыска топлива и топливную регулировку с кислородным датчиком и замкнутым контуром. Использование этой системы контроля кислорода обеспечивает возможность регулировки стехиометрии для компенсации изменений в содержании кислорода в различных образцах исследуемого топлива. Эта особенность исключает отклонения в количествах выделяемых углеводородов (УВ) и окислов азота (NO_x), вызванные различным содержанием кислорода. Иначе говоря, изучаемый образец топлива с высоким содержанием кислорода, при котором горение удлиняется, не обязательно дает больше или меньше выбросов, чем топливо, содержащее мало кислорода или не содержащее кислород.

Головки и клапаны двигателя очищали перед проведением каждого испытания. Кроме того, устанавливали новый кислородный датчик и новые свечи зажигания.

На каждом образце топлива проводили два (2) основных испытания. В первом испытании ("Испытание 1") измеряли выделение УВ и NO_x из двигателя за сорок (40) часов в установившемся режиме, 1000 об/мин/ без нагрузки. Целью такого испытания в установившемся режиме без нагрузки было выявление выделения наиболее опасных углеводородов (УВ) с течением времени, в частности выделения окислов марганца. Известно, что при низких нагрузках, на холостом ходу, создаются отличные условия для усиленного образования оксидов, а их превращение в УВ с течением времени возрастает. Таким образом, ускоренное образование оксида марганца в ходе испытания приводит к разложению выделяемых углеводородов.

Перед подачей каждого нового изучаемого образца топлива чистый двигатель запускали на базовом топливе ("чистом топливе") до стабилизации выделения отработанных веществ. Это обычно требует от 3 до 6 часов работы в установившемся режиме. Выделение углеводородов и NO_x периодически измеряли с помощью анализаторов отработанных частиц Бекмана. В табл.5 приведены итоговые результаты испытаний.

Второе испытание ("Испытание 2") проводили сразу же после первого испытания с тем же топливом на том же, еще теплом, двигателе. Второе испытание проводили на транспортном средстве с помощью стационарного динамометра на шасси. Измерения производили при скорости 80,5 км/ч (50 миль/ч) при различных регистрируемых нагрузках, т.е. от 15 до 24 лошадиных сил (л.с.). В этом испытании измеряли разницу в температурах сгорания, экономии топлива, выделениях УВ и NO_x. Испытание предназначено для выявления повышения термической эффективности, которое могло бы привести к увеличению экономии топлива и снижению выбросов. Итоговые результаты приведены на фиг.1-6.

Анализ таблицы 5.

В табл.5 приведены данные по выделению УВ в испытании 1. Данные табл.5 показывают умеренное повышение выделения УВ на чистом топливе. Об этом свидетельствует обычное осаждение углеводородов на стенки цилиндров и т.п. в результате проведения испытания 1 с низкой нагрузкой на холостом ходу. Результаты испытаний базового топлива являются исходным уровнем для сравнения с другими видами топлива. Увеличение выделения УВ выше исходного уровня вероятно обусловлено осаждением оксида марганца при использовании топлива, содержащего марганец.

В табл.5 показано, что все содержащие марганец образцы топлива, за исключением предложенных в изобретении экологических видов топлива, имеют более высокое увеличение выделения УВ и/или более высокое количество УВ на конечной стадии по сравнению с чистым базовым топливом. Наибольшее увеличение получено для топлива с высоким содержанием Mn.

Напротив, образцы топлива с добавками изо/гекс, МЕОН, МТБЭ, метилаля и ДМК не выделяют столь большого количества УВ, как топливо с марганцем (3390 млн.ч.) (колонка D). Уровень выделения УВ с этими видами топлива оказывается существенно ниже, а именно от 2953 до 2024 млн.ч. для топлива с добавками МЕОН и изо/гекс соответственно. Неожиданно выяснилось, что выделение углеводородов для топлива с добавками изо/гекс, МЕОН, МТБЭ, метилаля и ДМК (колонка D) оказывается также ниже, чем выделение для базового (чистого) топлива (3076 млн.ч.).

Таким образом, в табл.5 показано, что увеличение выделения УВ (в двух случаях наблюдается уменьшение) для топлива УСГ становится существенно ниже. Иначе говоря, выделение УВ для топлива УСГ ниже, чем для базового топлива. Это объясняетсяихповышенной термической эффективностью и эффективностью горения.

Следует отметить, что топливо УСГ с добавкой этилаля или ДМК показали снижение выделения УВ в течение всего испытания. В среднем за длительное время положение с выбросом УВ действительно улучшилось. Это при любых обстоятельствах является неожиданным результатом.

Отмечено, что изменения в выделении УВ в течение последних 20 часов испытания (колонка В) хорошо соответствуют ожидаемому количеству отложений оксидов для образцов топлива, содержащих марганец. Образцы топлива с марганцем, с высоким содержанием марганца и с ТГФ отличаются существенно более высоким выделением УВ на последней стадии (колонка D) (3390, 6554 и 4130 млн.ч. соответственно) по сравнению с базовым топливом (3067 млн.ч.).

Таким образом, образцы топлива с марганцем, ТГФ и высоким содержанием марганца отличаются отложениями оксидов и более значительным увеличением выделения УВ с течением времени. Напротив, предложенные виды топлива УСГ не отличаются таким увеличением, что обусловлено отсутствием отложений оксида марганца.

Примечания:

(1) В этой колонке показан % изменения выделения УВ для второй половины Испытания 1.

(2) В этой колонке представлен общий % изменения выделения УВ за все испытание.

(3) В этой колонке приведены средние значения выделения УВ для более стабильной последней стадии. Средние значения рассчитаны, как обозначено, для последних часов испытания.

Описание фиг.1-6 с результатами Испытания 2.

Фиг.1

Различия температур сгорания. На графике произведено сравнение температур выхлопного газа двигателя (ТВГ) для образцов топлива - базового и с добавками марганца, МЕОН, МТБЭ, метилаля и ДМК в зависимости от нагрузки двигателя. В Испытании 2 двигатель имел нагрузку, соответствующую скорость 50 миль/ч для выявления различий в температуре сгорания топлива, измеряемой по температуре выхлопного газа (ТВГ) двигателя.

При регистрируемой нагрузке 15 л.с. температуры сгорания базового топлива и топлива с марганцем одинаковы и составляют 375°С (707°F), тогда как для образцов топлива с добавкой ДМК, МЕОН и метилаля они составляют 381, 383 и 384°С (717, 722 и 724°F) соответственно. Для топлива с МТБЭ, испытанного с нагрузкой 16 л.с., температура равна 398°С (749°F). Таким образом, температура выхлопного газа для базового топлива и топлива с марганцем при нагрузке 15 л.с. ниже на 5,56°С (10°F), чем для топлива с ДМК, на 9,45°С (17°F), чем для топлива с метилалем, на 18,9°С (34°F), чем для топлива с МТБЭ (экстраполяция). При нагрузках свыше 15,5 л.с. образцы топлива с МЕОН, ДМК и метилалем имеют более низкие температуры сгорания, чем базовое топливо и топливо с марганцем. При нагрузках свыше 16,5 л.с. топливо с МТБЭ имеет более низкую температуру сгорания. Таким образом, при средних и малых нагрузках базовое топливо и топливо с марганцем имеют более низкие температуры сгорания.

С возрастанием нагрузки свыше 15,0 л.с. температуры сгорания базового топлива и топлива с марганцем резко возрастают. Возрастание в наибольшей степени наблюдается для топлива с марганцем. Например, при нагрузке 20 л.с. температура сгорания базового топлива равна 442°С (828°F), а экстраполяция температуры сгорания топлива с марганцем при той же нагрузке равна 460°С (860°F ).

Напротив, для образцов топлива с МЕОН, МТБЭ, метилалем и ДМС наблюдается более низкая скорость роста ТВГ. Например, при нагрузке 24 л.с. для топлива с МЕОН, метилалем и ДМС наблюдается более низкая скорость роста ТВГ. Например, при нагрузке 24 л.с. для топлива с МЕОН, метилалем и МТБЭ наблюдаются близкие значения 418, 424 и 426°С (785, 795 и 798°F) соответственно. Аналогичным образом для топлива с МТБЭ наблюдается еще более низкая скорость возрастания температуры, которая при 22 л.с. составляет 414°С (778°F).

Наиболее существенным аспектом фиг.1 является существенно более медленное возрастание температуры по сравнению с базовым топливом и топливом с марганцем после достижения порогового значения нагрузки, составляющего от 15,5 до 16,5 л.с. Например, на фиг.1 показано, что при нагрузке 20 л.с. ТВГ для топлива с марганцем на 40°С (104°F) выше, чем для топлива с МЕОН. Кроме того, на фиг.1 показано, что образцы топлива, содержащие как Mn, так и кислородсодержащее соединение (т.е. МЕОН, МТБЭ, метилаль и ДМК) также имеют более низкие температуры сгорания, чем базовое топливо. Например, температура сгорания топлива с МЕОН на 22°С (72°F) ниже, чем у базового топлива. На фиг.1 показано, что чем выше нагрузка, тем больше разница ТВГ для двух классов топлива. Из фиг.1 видно, что в условиях нагрузки образцы топлива, содержащие кислородсодержащие добавки, неожиданно проявляют пониженные температуры сгорания.

Фиг. 2

Температуры сгорания и выделение углеводородов. На этом графике показано выделение углеводородов в ходе Испытания 2 в зависимости от температуры выхлопного газа (ТВГ) двигателя, на графике показано наличие прямой корреляции между выделением УВ и температурой выхлопного газа двигателя. Эта зависимость наиболее значительна для образцов топлива с МЕОН, МТБЭ, метилалем и ДМК. На фиг.2 показано, что возрастание выделения УВ с ростом ТВГ для образцов топлива с различными кислородсодержащими соединениями больше, чем для образцов топлива, не содержащих соединений кислорода. На фиг.2 видно, что с понижением температуры сгорания топлива с данным соединением кислорода снижается выделение УВ.

График фиг.2 заслуживает внимания, так как на нем показана степень зависимости изменения выделения углеводородов от изменения температуры сгорания для всех видов топлива. Видно, что базовое топливо и топливо с марганцем не столь чувствительны, как образцы топлива с кислородсодержащими добавками.

Фиг.3

Температуры сгорания и выделения NO_x

На этом графике показаны зависимости выделения NO_x от ТВГ. Как и на фиг.2, на фиг.3 показана прямая и существенная зависимость выделения NO_x от ТВГ для образцов топлива с добавками МЕОН, МТБЭ, метилаля и ДМК. На этом графике ясно видно, что при более низких ТВГ, в частности для топлива с добавками МЕОН, МТБЭ, метилаля или ДМК, выделения NO_x гораздо меньше, чем для базового топлива и топлива с марганцем. Фиг.3 также заслуживает внимания, так как на графике показана степень зависимости выделения NO_x для образцов топлива УСГ с добавками кислородсодержащих соединений от изменения температуры сгорания. Видно, что базовое топливо и топливо с марганцем также не являются чувствительными, как и при выделении УВ. Однако образцы топлива УСГ с кислородсодержащими добавками, имеющие пониженные температуры сгорания, неожиданно проявили пониженное выделение NO_x.

Фиг.4.

Регистрируемая скорость сгорания. На этом графике показано косвенное измерение скорости сгорания через измерение экономии топлива. Известно, что повышение экономии топлива, отсутствие увеличения расхода мощности, являются косвенными индикаторами возможного изменения скорости распространения пламени. На фиг.4 представлена зависимость экономии топлива в милях на галлон (миль/гал) (или 0,42566 километров на литр, км/л) от регистрируемой нагрузки (л.с.). На фиг.4 показана значительная разница в экономии топлива (ЭТ) между базовым топливом и образцами топлива с кислородсодержащими добавками при различных нагрузках, при средних нагрузках, меньше, чем приблизительно 12,5 л/с (экстраполяция) для топлива с МТБЭ, 14,5 л/с для топлива с ДМК и 16,0 л/с для топлива с МЕОН или метилалем, базовое топливо показывает превосходную экономию топлива. Однако при нагрузках, превышающих приблизительно от 13,0 до 16,0 л.с., экономия топлива для топлива с МТБЭ, ДМК, метилалем и МЕОН неожиданно повышается.

Аналогично различиям в температурах выхлопного газа, представленным на фиг.1, после превышения пороговой величины нагрузки экономия топлива существенно возрастает для предложенных видов топлива. Так, при нагрузке 20 л.с. экономия топлива для базового топлива составляет 5,619 км/л (13,2 миль/гал), в сравнении с 6,683, 6,768, 7,0234 и 7,321 км/л (15,7, 15,9, 16,5 и 17,2 миль/гал) для топлива с метилалем, МЕОН, ДМК и МТБЭ соответственно.

Такие существенные различия объясняют увеличение экономии топлива на 19-30% по сравнению с базовым топливом при нагрузках от средних до умеренно высоких. Таким образом, для топлива УСГ с кислородсодержащими добавками, такими как метилаль, МЕОН, ДМК и МТБЭ, обнаружено неожиданное и существенное увеличение экономии топлива при нагрузках, превышающих приблизительно 15 л.с.

Фиг. 5

Скорость сгорания и выделение УВ. На этом графике показано выделение УВ в зависимости от экономии топлива, т.е. регистрируемой скорости сгорания. На фиг.5 показана сильная зависимость снижения выделения УВ от возрастания скорости сгорания. На фиг.5 ясно видно, что с увеличением скорости сгорания топлива с добавками метилаля, МЕОН, ДМК и МТБЭ, наблюдается снижение выделения УВ. Эта корреляция в наибольшей степени проявляется для топлива с МЕОН.

Фиг.5 заслуживает внимания, поскольку график показывает чувствительность топлива УСГ с добавками кислородсодержащих соединений к изменениям выделения углеводородов в зависимости от изменения скорости сгорания. Установлено, что для всех видов топлива наблюдается положительная корреляция снижения выделения УВ и увеличения скорости сгорания. Однако базовое топливо несколько менее чувствительно к уменьшению выделения УВ. У топлива с метанолом, очевидно, степень чувствительности наиболее высокая. Таким образом, вновь наблюдается корреляция увеличения скорости сгорания топлива УСГ с добавками кислородсодержащих соединений и снижения выделения УВ.

Фиг. 6

Скорость сгорания и выделение NO_x. На этом графике показано выделение NO_x в зависимости от экономии топлива. На графике видна очень сильная зависимость снижения выделения NO_x от увеличения регистрируемой скорости сгорания. Такая зависимость существует для топлива с кислородсодержащими добавками, но для базового топлива она незначительна.

Фиг.6 заслуживает особого внимания, поскольку на графике показана чувствительность изменений выделения NO_x для топлива УСГ с кислородсодержащими добавками в зависимости изменений в скорости сгорания. Видно, что для всех видов топлива наблюдается положительная корреляция уменьшения выделения NO_x и увеличения скорости сгорания топлива, за исключением базового топлива, для которого выделение NO_x не меняется. Степень такой зависимости для всех видов топлива с кислородсодержащими добавками велика, а для топлива с метанолом она снова несколько выше, чем для других.

Результаты, представленные на фиг.1-6.

На графиках ясно видно, что снижение температуры сгорания приводит к снижению выделений. Графики показывают возможность воздействия на нежелательные выделения при одновременном снижении температуры сгорания и повышению скорости горения. Из графиков видно, что после превышения пороговой величины нагрузки, приблизительно равной 15 л.с., наиболее четко проявляются преимущества данного изобретения.

Фиг. 7

На фиг.7 показаны кривые перегонки в присутствии МТБЭ и кислородсодержащих соединений и модификация средних и тяжелых фракций для улучшения горения топлива с добавкой Mn и МТБЭ. На фиг.7 показана средняя область перегонки (так называемая "область технического наклона") топлива, содержащего МТБЭ и кислород, с пониженной летучестью в теплом виде. На графике показан улучшенный вариант средней области, в котором устраняется пониженная летучесть, а также конечная область для топлива, содержащего ММТ в количестве, соответствующем 0,00826 г/дм³(1/32 г/гал) Mn, с пониженными температурами Т-90.

На фиг.7 показаны оптимальные температуры перегонки Т-10, Т-90 и Т-50 для содержания от 1,5 до 2,7 мас.%. O₂ в топливе с добавками ДМК или МТБЭ, содержащем 0,00826 г/дм³ (1/32 г/гал) Mn в виде ММТ, который не ухудшает работу датчиков эффективности катализатора OBD II. На фиг.7 показано, что для топлива с ДМК обычно наблюдается более широкий диапазон температур Т-10, Т-50 и Т-90. Например, верхний предел температур Т-90 для топлива с ДМК составляет 210°С (410°F), тогда как для топлива с МТБЭ верхний предел Т-90 обычно меньше 135°С (275°F).

Интервалы величин Т-90 одинаково широки для топлива с ДМК и с МТБЭ, в частности для топлива с ДМК интервал Т-50 составляет от 121 до 66°С (от 250 до 150°F), а для топлива с МТБЭ - от 93 до 82°С (от 200 до 180°F). Величины Т-10 не имеют нижнего предела для топлива с ДМК, а для топлива с МТБЭ он равен 27°С (80°F).

БЕНЗИНОВЫЕ КОМПОЗИЦИИ

Рассматриваемые в изобретении виды автомобильного бензина включают в себя обычный неэтилированный бензин, облагороженный неэтилированный бензин, бензин с низкой упругостью паров по Рейду и т.п. В качестве примеров систем подачи топлива в бензиновый двигатель, не ограничивающих объем изобретения, можно привести карбюраторную, систему улучшенной подачи бензина, систему с впрыском из питающей магистрали, систему прямого впрыска, систему прямого впрыска с послойной подачей загрузочной смеси, усовершенствованную систему с послойной подачей и т.п. Предполагается, что предложенные виды автомобильного бензина можно использовать в системах внутреннего сгорания, имеющих катализаторы дожига выхлопных газов (включая трехходовые системы), системы регулировки выделения вредных веществ и т.п.

Одной из конкретных задач изобретения является использование катализаторов дожига выхлопных газов, датчиков эффективности катализатора OBD II, связанных с ними систем и способов регулировки выделений, при этом их работоспособность в присутствии содержащего Mn выхлопного газа не ухудшается.

Другой задачей является обеспечение работы бензиновых двигателей, работающих при минимальных пороговых нагрузках, при этом преимущества данного изобретения становятся очевидными. Например, автором установлено, что при использовании добавок кислородсодержащих соединений и меньших количеств соединений металла, например Mn, не наблюдается оптимальной экономии топлива и снижения температуры до тех пор, пока нагрузка не достигнет величин по меньшей мере 12,5-16 л.с.

Бензин, используемый в предложенных топливных смесях, должен иметь минимальные количества вредных веществ, загрязняющих окружающую среду. Так, содержание серы по возможности следует довести до нулевого, количество вредных тяжелых ароматических соединений (хотя при осуществлении данного изобретения их действие в значительной степени снижается) должно быть доведено до практически минимального. По возможности топливные смеси следует составлять таким образом, чтобы снизить количество летучих органических соединений (ЛОС), NO_x, бензола, бутадиена, формальдегида, ацетальдегида, полициклических органических веществ. Особо рассмотрены облагороженные виды бензина, составленные в соответствии с комплексной моделью.

Важной особенностью предложенного изобретения является возможность достижения высокой чистоты выхлопных газов вследствие особенностей сгорания топлива. Соответственно, в дополнение к снижению выделения наиболее вредных веществ изобретение позволяет избежать отложений в камере сгорания, которые в настоящее время вызваны наличием детергентов, применяемых для поддержания чистоты впускных клапанов.

Дополнительной особенностью изобретения является снижение выбросов дисперсных веществ РМ 10, которые, как полагают, вызваны наличием тяжелых ароматических соединений. Изобретение позволяет эффективно снизить такие дисперсные вещества, что вновь связано с уникальным характером горения топлива.

Пример 98а.

Способ эксплуатации бензинового двигателя внутреннего сгорания, включающий: смешение стандартного, нестандартного или облагороженного бензина с необходимым для улучшения сгорания количеством кислородсодержащего соединения и необходимым для улучшения сгорания количеством ММТ и/или соединения другого металла, сжигание этого топлива в двигателе, находящемся под нагрузкой по меньшей мере 12,5 л.с. (предпочтительнее 16,0 л.с.), при этом экономия топлива возрастает.

Пример 98б.

Способ 98а, в котором нагрузка примерно равна 20 л.с., и экономия топлива улучшается на 5-30% и/или температура сгорания понижается на 28-56°С (50-100°F).

Пример 98в.

Способ 98а, в котором топливо содержит кислород в количестве от 0,005 до 3,7 мас.%, содержащийся в МТБЭ, ЭТБЭ, ДМК, метаноле, этаноле, метилале илиих смеси, а также от 0,00413 до 0,066 г/дм³ (1/64 до 1/4 г/гал) Mn в виде ММТ; причем двигатель работает при нагрузке, превышающей 16 л.с.; при этом повышается экономия топлива и/или понижается температура сгорания.

Другой задачей изобретения является улучшение скорости сгорания и/или температуры сгорания путем изменения состава фракций Т-90 и/или фракции конца перегонки для ускорения сгорания, увеличения пробега на единицу расхода топлива, управляемости и/или снижения выделения вредных продуктов сгорания.

Следующей задачей является улучшение сгорания топлива путем регулирования температур перегонки средней фракции. Еще одной целью является корректировка Т-10 для повышения эффективности данного изобретения.

Предполагается, что упругость паров по Рейду (УПР) будет понижена, предпочтительно в данном изобретении использовать топливо с величинами УПР от от 0,281 до 0,844 кг/см² (от 4,0 до 12,0 фунт/кв.дюйм), более предпочтительно - от 0,281 до 0,633 кг/см² (от 4,0 до 9,0 фунт/кв.дюйм), от 0,281 до 0,562 кг/см² (от 4,0 до 8,0 фунт/кв.дюйм), от 0,281 до 0,527 кг/см² (от 4,0 до 7,5 фунт/кв.дюйм ), от 0, 422 до 0,492 кг/см² (от 6,0 до 7,0 фунт/кв.дюйм), от 0,422 до 0,457 кг/см² (от 6,0 до 6,5 фунт/кв.дюйм), от 0,07 до 0,422 кг/см² (от 1,0 до 6,0 фунт/кв.дюйм), от 0,07 до 0,211 кг/см² (от 1,0 до 3,0 фунт/кв.дюйм), от 0,07 до 0,141 кг/см² (от 1,0 до 2,0 фунт/кв.дюйм) или ниже. Предполагаемая величина УПР включает 6,4, 6,9, 7,0, 7,1, 7,2 (макс.), 7,3 (макс.), 7,4 (макс.), 8,3 (макс.), 7,8, 7,9, 8,0, 8,1 (макс.), 8,2 (макс.), 8,3 (макс.).

Как было отмечено, главной задачей изобретения является снижение температуры сгорания топлива. Сообщается, что температура сгорания бензина составляет 2102°С [J.B. Fenn. "Fourth Symposium on Combustion", Baltimore, p.231 (1953).]. Таким образом, одним или более из предложенных в данном изобретении средств предполагается снизить температуру сгорания по меньшей мере на 14, 28, 56, 69, 83, 111, 139, 167, 194, 222°С или более (на 25, 50, 100, 125, 150, 200, 250, 300, 350, 400°F или более).

При осуществлении снижения или регулирования температур Т-10, Т-50, Т-90 в соответствии с изобретением отделяемые от топлива компоненты бензина имеют низкую скрытую теплоту испарения и/или низкую скорость сгорания.

Желательно, чтобы по возможности из бензиновой композиции были удалены высококипящие компоненты, имеющие скрытую теплоту испарения выше 83,33 ккал/кг (150 Брит.тепл.ед. (БТЕ)/фунт) или 57,25 ккал/дм³ (860 БТЕ/галлон).

Предпочтительно, чтобы остающаяся углеводородная часть бензиновой композиции (например, в отсутствие кислородсодержащих соединений и металлов и т.п.) имела скрытую теплоту испарения выше 83,33 ккал/кг (150 БТЕ/фунт) или 57,25 ккал/дм³ (860 БТЕ/галлон). Более предпочтительно, по возможности, чтобы эти величины составляли 88,89, 94,44, 100,00 ккал/кг (160, 170, 180 БТЕ/фунт).

Установлено, что обычно можно провести модификацию, приводящую к повышению скрытой теплоты испарения, за счет потерь на нагревание топлива. Часто наблюдается увеличение тепла, необходимого для нагревания.

На практике предпочтительно проводить удаление высококипящих компонентов (с низкой скрытой теплотой испарения и/или низкой скоростью сгорания) до тех пор, пока средняя скрытая теплота испарения не содержащей кислородсодержащих соединений и металлов углеводородной композиции не станет равной или большей 58,59; 59,25; 59,92; 60,25; 60,59; 60,92; 61,25; 61,59; 61,92; 62,58; 63,25; 64,58; 65,91; 66,58; 69,91; 73,23; 79,89 ккал/дм³ (880, 890, 900, 905, 910, 915, 920, 925, 930, 940, 950, 970, 990, 1000, 1050, 1100, 1200, БТЕ/гал). Желательно, чтобы она была выше 59,92-60,59 ккал/дм³ (900-910 БТЕ/гал). Наиболее желательно, чтобы она была выше 61,25 ккал/дм³ (920 БТЕ/гал). Хотя верхний предел латентной теплоты испарения базового топливного компонента отсутствует, он определяется экономической стоимостью и другими практическими соображениями.

Кроме того, желательно, чтобы снижение температуры конца перегонки и/или Т-90 было таким, чтобы средняя латентная теплота испарения улучшенного топлива (например, топлива с отогнанными легкими фракциями) на 0,5-10% или более превышала бы не подвергнутое улучшению базовое топливо. Желательно повышение этой величины на 1,0-20%, 40% или выше.

В обычном топливе, как правило, предпочтительно, чтобы минимальное повышение средней латентной теплоты испарения вследствие снижения температуры конца перегонки и/или Т-90 и/или вследствие регулирования температур Т-50 и Т-10 (в отсутствие добавки УСГ или добавочного аэеотропного растворителя и т.п.) было бы таким, чтобы добавление 0,00826 г/дм³ (1/32 г/гал) Mn в виде ММТ улучшало бы экономию топлива по сравнению с содержащими такое же количество ММТ топливом без улучшения Т-90. В этом случае снижение Т-90 обычно требует минимальной разницы в 28°С (50°F) между улучшенным и исходным топливом.

Установлено, что приемлемыми величинами Т-90 являются 116, 121, 124, 127, 129, 132, 135, 137, 138, 141, 143, 146, 149, 152, 154, 157, 160, 163, 166, 168, 171, 174, 177°C (240, 250, 255, 260, 265, 270, 275, 278, 280, 285, 290, 295, 300, 305, 310, 315, 320, 325, 330, 335, 340, 345, 350°F). Возможны также температуры за пределами указанного диапазона. Однако, как правило, предпочтительны температуры ниже 138°С (280°F).

Конечная температура зависит от измененной величины скрытой теплоты испарения и/или от величины повышенной скорости сгорания, полученной после отгонки легких фракций, которая в свою очередь зависит от базового топлива. При модификации различных видов топлива (и углеводородных потоков) получаются различные результаты. Таким образом, предполагается возможность различной степени снижения действительной величины Т-90.

Пример 99

Обычный или улучшенный композиционный бензин, из которого удалена фракция топлива с более высокой температурой кипения, так что температура конца кипения бензина и/или Т-90 понижены; при этом средняя скрытая теплота испарения чистого топлива после фракционирования по меньшей мере на 0,5%, предпочтительнее на 1,5% или выше превосходит такую величину для чистого топлива без фракционирования.

Пример 100

Способ по п.99, в котором при добавлении 0,00826 г/дм³ (1/32 г/гал) Mn в виде ММТ наблюдается повышение экономии топлива в топливной композиции после фракционирования по сравнению с топливом без фракционирования (содержащим соединение металла).

Пример 101

Способ по п.99, в котором содержащее соединение металла подвергнутое фракционированию топливо используют в двигателе, а выхлопные газы пропускают через катализатор дожига выхлопного газа с применением датчика катализатора OBD II; при этом осаждение оксида марганца на промываемую поверхность катализатора регулируют в достаточной степени, так что датчик катализатора не выходит из строя.

Пример 102

Способ по п.99-101, в котором к базовому топливу добавляют кислородсодержащее соединение УСГ, обеспечивающее содержание кислорода от 0,5 до 2,7%, 3,0%, 3,5%, при этом температура Т-50 превышает 68, 77°С (155, 170°F) (желательно 79°С (175°F)), но меньше 104°С (220°F), при этом также температура Т-90 в отсутствие кислородсодержащего соединения не превышает 149°С (300°F), предпочтительнее 138, 135, 132°С (280, 275, 270°F), и после сгорания этого топлива и пропускания выхлопного газа через катализатор дожига с использованием датчика катализатора OBD II осаждение оксида марганца на промываемую поверхность катализатора регулируют в достаточной степени (или оно практически отсутствует), так что датчик не выходит из строя.

Пример 103

Способ по п.102, в котором как улучшенный, так и исходный бензин содержат от 1,0 до 2, 0 мас.% кислорода в виде МТБЭ и циклоароматический трикарбонил марганца с концентрацией Mn от 0,000264 до 0,00826 г/дм³ (от 0,001 до 0,03125 г/гал), так что экономия топлива для топлива с пониженной температурой кипения оказывается выше, чем для исходного топлива.

Пример 104

Способ по п.99, в котором температура Т-90 улучшенного облагороженного топлива составляет приблизительно от 127 до 138°С (от 260 до 280°F) или ниже.

Пример 105

Способ по п,103-104, в котором МТБЭ целиком или частично заменяют на диметилкарбонат.

Желательно ограничить содержание олефинов для снижения смога. Кроме того, предполагается снижение упругости паров по Рейду (УПР) до величин меньше, например, чем 0,562, 0,527, 0,492, 0,478, 0,457, 0,436, 0,422, 0,408, 0,394 кг/см² (8,0, 7,5, 7,0, 6,8, 6,5, 6,0, 5,8, 5,6 фунт/кв.дюйм) или ниже, концентрации серы - менее 0,002 мас.% (включая не содержащие серу композиции), а нафтенов - менее 7 об.% (или, по возможности, менее 0,5%).

При выполнении изобретения предполагается, что виды топливного бензина включают в себя марки, в целом отвечающие требованиям ASTM D 4814 и связанных с ним спецификаций, спецификациям Ассоциации защиты окружающей среды (АЗОС) на простой и сложный модельный облагороженный бензин (ОБ), соответствующим закону о чистом воздухе 42 US С 7545 211 (k), сертифицирующим спецификациям АЗОС в соответствии с 42US С7525 206, любым другим законным или промышленным стандартам, существующим и будущим.

Таким образом, при выполнении изобретения топливные композиции отвечают текущим и всем будущим стандартам Управления гражданской авиации США и/или АЗОС в отношении защиты окружающей среды и выделения вредных веществ, включая стандарты по составу и эксплуатационным качествам. Известные специалистам выделения вредных веществ касаются выделения летучих органических соединений (ЛОС), ответственных за образование озона на малых высотах. Большинство выделений ЛОС связано с выделениями при испарении. ЛОС выхлопных газов составляют очень незначительную часть выделений ЛОС.

Особую озабоченность вызывают выделения токсичных веществ и NO_x. В соответствии с изобретением количество ЛОС, NO_x, токсичных и других подлежащих контролю выделений соответствует требованиям АЗОС.

Наибольшую озабоченность, однако, вызывают выделения токсичных веществ, которые при использовании изобретения неожиданно снижаются, в среднем на 5% или более по сравнению с обычным и другими видами облагороженного бензина. Это является наиболее неожиданным усовершенствованием. Например, установлено, что содержание 1,3-бутадиена (контролируемое токсичное вещество) возрастает в присутствии МТБЭ при снижении содержания олефинов и температуры Т-90. Кроме того, было установлено, что выделение формальдегида в выхлопных газах в действительности возрастает при снижении содержания ароматических соединений и/или при добавлении МТБЭ. Дополнительно установлено, что выделение ацетальдегида также возрастает при снижении содержания ароматики.

Например, установлено, что при увеличении содержания МТБЭ с 0 до 15 об.% выделение формальдегида возрастает на 26%. При снижении содержания ароматики с 45 до 20% выделение 1,3-бутадиена возрастает на 11%. формальдегида - на 23%, ацетальдегида - на 19%.

Это вызывает серьезные затруднения, поскольку для удовлетворения комплекса требований нефтехимики должны включать в состав топлива кислородсодержащую добавку, наиболее предпочтительно МТБЭ, и, кроме того, от них также требуется снизить выделение ароматики. Таким образом, имеется существенная необходимость в снижении содержания ароматики и/или олефинов в присутствии МТБЭ, при отсутствии сопутствующего повышения выделения токсичных веществ.

К сожалению, при существующих стандартах, требующих присутствия МТБЭ, страдает экономия топлива. Автор установил, что при введении добавки ММТ с единовременным снижением температуры конца кипения и/или температуры Т-90 указанным здесь способом неожиданно появляется возможность улучшить экономию топлива.

Установлено также, что применение добавки ММТ в количестве более 0, 00826 г Mn/дм³ (1/32 г Mn/гал) приводит к увеличению экономии топлива при концентрациях МТБЭ, превышающих 2,0 мас.% О₂ (например, 2,7 мас.% О₂).

Однако экономия топлива, по-видимому, снижается в присутствии МТБЭ при концентрациях менее 2,0 мас.% (например, 1,0%) даже при содержании ММТ в количестве 0,00826 г Mn/дм³ (1/32 г Mn/гал). Автор установил, что это явление, видимо, связано с температурой Т-90.

Установлено, что в отсутствие достаточного снижения температуры Т-90 (для повышения средней латентной теплоты испарения топлива) и/или в отсутствие дополнительной химической добавки УСГ, например ДМК, при наличии в облагороженном топливе от 1,0 до 2,0 мас.% O₂в виде МТБЭ и 0,00826 г Mn/дм³ (1/32 г Mn/гал) (или меньше) в виде ММТ, наблюдается потеря в экономии топлива по сравнению с базовым топливом без кислородсодержащей добавки (в присутствии или в отсутствие ММТ).

Таким образом, в предпочтительном варианте применяют МТБЭ при концентрации O₂ выше 2,0 мас.%. При содержании ММТ в количестве 0,00826 г Mn/дм (1/32 г Mn/гал) или ниже особенно предпочтительно, чтобы температура Т-90 была понижена до уровня ниже 160°С (320°F), 149°C (300°F), или предпочтительно 138°С (280°F).

Неожиданно оказалось, что при использовании данного изобретения, а именно, улучшающей горение добавки Mn в присутствии улучшающего горение/снижающего температуру УГС и/или снижения температуры Т-90, не наблюдается ожидаемого снижения экономии топлива. Напротив, экономия топлива в действительности может возрасти. Ожидаемое увеличение выделения токсичных веществ также снижается.

Автор далее установил, что замена МТБЭ на ДМК и/или сочетание ДМК с МТБЭ, особенно при концентрации O₂ 2,0 мас.% или выше, неожиданно приводит к дальнейшему увеличению пробега автомобиля и снижению выделения вредных веществ.

Таким образом, в данном изобретении используют бензин с пониженным содержанием ароматики, например, от 5 до 35 об.%. Однако наиболее предпочтительны концентрации, близкие к 20%, 25% или ниже. Предпочтительны также пониженные концентрации олефинов (например, от 5 до 10%, предпочтительно менее 8%, 6%, 5%, особенно в топливных фракциях с пониженной температурой Т-90 (предпочтительно от 149 до 127°С (от 300 до 260°F) или ниже).

Предполагается, что к такой углеводородной фракции добавлено улучшающее горение количество Mn, кислородсодержащее соединение УГС, в частности, МТБЭ, ЭТБЭ, ТАМЭ, диизопропиловый эфир, этанол или ДМК, или их смеси; при этом средняя скрытая теплота испарения топлива превышает 58,59, 59,92, 60, 59 ккал/дм³ (880, 900, 910 БТЕ/гал) при 15,56°С (60°F); при этом в результате горения достигается повышение экономии топлива и снижение выделения токсичных веществ, включая NO_x, 1,3-бутадиен, формальдегид и/или ацетальдегид.

Установлено, что желательно уменьшить интервал опережения зажигания для обеспечения ровной работы двигателя, особенно при использовании предложенных видов бензина с более высокой скоростью сгорания в двигателях с постоянной степенью сжатия. Чем больше увеличение скорости сгорания, тем предпочтительно в большей степени нужно уменьшить опережение зажигания. Приемлемые величины снижения опережения зажигания составляют от 1,0%, 1,5%, 2,0%, 2,5%, 3,0%, 3,5%, 4,0%, 4,5%, 5,0%, 5,5%, 6,0%, 6,5%, 7,0%, 7,5%, 8%, 8,5%, 9%, 9,5%, 10%, 10,5%, 11%, 11,5%, 12,0%, 12,5%, 13,0%, 13,5% до 40%. Снижение от 0,5%, 2,0%, 5,0% до 10% более предпочтительно.

Также установлено, что в связи с увеличением скорости сгорания и длительности горения оптимальной является степень сжатия от 8,5:1 до приблизительно 13,0:1 при использовании в композиции, например, 2 мас.% О₂ в виде ДМК и 0,0165 г Mn/дм³ (1/16 г Mn/гал) в виде ММТ. В таком сочетании более предпочтительной является степень сжатия от 9,5:1 до 12,5:1, еще более предпочтительной - от 11,5:1 до 12,5:1. Отношение сжатия 10,5:1 дает очень хорошие результаты и также считается предпочтительным. При более высоких концентрациях топлива УГС, содержащего ДМК и соответствующих концентрациях соединений металла, используют более высокие отношения сжатия.

Пример 106

Новый способ работы двигателя, включающий приготовление смеси на основе неэтилированного бензина, содержащей МТБЭ в количестве 2,0 мас.% кислорода, и ММТ в количестве 0,00826 г Mn/дм (1/32 г Mn/гал); сжигание топлива в двигателе с пониженным опережением зажигания приблизительно на 1,0 - 2,5% (предпочтительно на 1, 5%); при этом в работе двигателя имеются улучшения в отношении термической эффективности и/или выделения вредных веществ.

Пример 107

Новый способ работы двигателя, включающий приготовление смеси на основе неэтилированного бензина, содержащей ДМК в количестве 2,0% масс. кислорода, и ММТ в количестве 0,00826 г Mn/дм (1/32 г Mn/гал); сжигание топлива в двигателе с пониженным опережением зажигания приблизительно на 2,0 - 10% (предпочтительно на 8,5%); при этом в работе двигателя имеются улучшения в отношении термической эффективности и/или выделения вредных веществ.

Пример 108

Композиция на основе неэтилированного облагороженного бензина, не содержащего фосфор, с упругостью паров по Рейду не выше 0,492 кг/см² (7,0 фунт/кв.дюйм), с содержанием олефинов не выше 5,0 об.%, ароматики - не выше 20 об.% (предпочтительно 15%, 10% или ниже), бензола - не выше 0,8% (предпочтительно 0,6%, или ниже, или не содержащего бензол), серы - не выше 100 млн.ч. (предпочтительно 50 млн.ч., или меньше, или не содержащего серу), с концентрацией O₂ в диапазоне от 1, 8 до 2,2%, от 2,0 до 2,7%, или 3,5 мас.% O₂ в виде диметилкарбоката, МТБЭ, ЭТБЭ, ТАМЭ, этил-трет-амилового эфира, диизопропилового эфира или этанола, или их смеси, циклоароматического трикарбонилмарганца в количестве от 0,00413 до 0,0495 г Mn/дм³ (от 1/64 до 3/64 г Mn/гал) (предпочтительно 0,00826 г Mn/дм³ (1/32 г Mn/гал)), максимальной температурой Т-90 от 127 до 138°С (от 260 до 280°F) или ниже, температурой Т-50 приблизительно от 71 до 110°С (от 160 до 230°F) (от 77 до 96°С (от 170 до 205°F)), с бромным числом 20 или ниже; имеющим среднюю скрытую теплоту испарения 60,59 - 61,92 ккал/дм³ (910-930 БТЕ/гал) или выше.

Пример 109

Примеры 106-108, в которых топливо содержит беззольный диспергирующий агент, добавку для регулирования впуска и отложений в соответствии с §211 (1) и соответствующими предписаниями Закона о чистоте воздуха; и, возможно, дополнительно содержит небольшое количество добавки растворителя для повышения растворимости в воде, например, гексанола.

Пример 110

Примеры 106-108, в которых температура топлива Т-90 не превышает 149°С (300°F), предпочтительно 138°С (280°F) или ниже, температура Т-50 после добавления МТБЭ в количестве от 2,0 до 2,7% превышает 77°С (170°F), но ниже, чем приблизительно 93°С (200°F); при этом не ухудшается управление автомобилем в теплую погоду. Скрытая теплота испарения топлива превышает 59,92 ккал/дм³ (900 БТЕ/гал), более предпочтительно 60,25 ккал/дм³ (905 БТЕ/гал); концентрация Mn составляет 0,00826 г Mn/дм³ (1/32 г Mn/гал); при этом горение топлива не вызывает выхода из строя кислородных датчиков катализатора OBD II.

Пример 111

Способ предотвращения выхода из строя кислородного датчика выхлопного газа путем снижения Т-90 целевого бензина, при этом средняя скрытая теплота испарения получаемого топлива повышается на величину, достаточную для снижения температуры сгорания по меньшей мере на 8,34°С (15°F) или более и/или для заметного повышения средней скорости горения, измеренной с помощью ламинарной горелки Бунзена; смешения этого топлива с МТБЭ в количестве от 1,2 до 2,7 мас.%; при этом температура Т-50 смеси составляет по меньшей мере 77°С (170°F) (предпочтительно выше 79°С (175°F) и ниже 99°С (210° F), 93°C (200°F)); сжигания этого топлива в двигателе и пропускания полученных выхлопных газов в течение длительного времени через трехходовую систему каталитического дожига, содержащую датчик эффективности катализатора OBD II; при этом отложение марганца на промываемую поверхность катализатора недостаточно для выхода из строя датчиков.

Пример 112

Способ по п.111, при этом температура топлива Т-90 приблизительно равна 149°С (300°F), более предпочтительно - около 138°С (280°F) или ниже, и/или при котором измеряемое увеличение скорости горения составляет по меньшей мере 1,0% или выше по сравнению с топливом, не подвергнутым улучшению.

Пример 113

Способ по п.111-112, в котором топливо не содержит кислородсодержащее соединение.

Пример 114

Способ по п.113, в котором работа двигателя осуществлялась на протяжении 8045; 32180; 80450; 120675 или 160900 км (5000; 20000; 50000; 75000 или 100 000 миль).

Пример 115

Примеры 106, 107, 108, 110, 111, в которых средняя скорость горения композиции, измеренная с помощью ламинарной горелки Бунзена в условиях окружающей среды, превышает 46, 48, см/с, более предпочтительно 50 см/с или выше (используя скорость горения метанола 57,2 см/с в качестве эталона).

Пример 116

Примеры 106-107, в которых размер частиц топлива, вводимого в камеру сгорания, составляет менее 70 микрон, более предпочтительно - менее 50 микрон.

Пример 117

Примеры 106-107, в которых доза вводимого топлива имеет давление впрыска приблизительно от 1,055 до 3,164 кг/см² (от 15 до 45 фунт/кв.дюйм).

Пример 118

Примеры 106,107, 111, в которых температура сгорания достаточно понижена, так что при регистрируемой нагрузке, например 20 л.с., температура выхлопного газа понижена по меньшей мере на 5,56-27,8°С (10-50°F) или более, при этом средняя температура выхлопного газа, поступающего во впускное отверстие для выхлопного газа, составляет менее 760°С (1400°F) (или эта температура такова, что не образуется заметного отложения оксида марганца на промываемой поверхности катализатора).

Пример 119

Примеры 106, 107, в которых выхлопные газы двигателя, имеющие пониженную температуру, пропускают через катализатор дожига выхлопных газов и бортовые датчики контроля катализатора выхлопной системы не выходят из строя вследствие неправильных показаний емкости содержащегося в катализаторе кислорода.

Пример 120

Примеры 106,107,108,110, в которых способ подпадает под отказ от требований АЗОС по 211(k) Закона о чистоте воздуха.

Пример 121

Малотоксичная улучшающая экономию топлива композиция, включающая в себя неэтилированную топливную смесь, состоящую из не содержащих фосфора углеводородов с УПР, не превышающих 0,562, 0,492, 0,457, 0,422 кг/см² (8,0, 7,0, 6,5, 6,0 фунт/кв.дюйм), содержащую не более 6,0-5,0 об.% олефинов, не более 25-20 об.% ароматики (предпочтительно 15-10 или ниже), не более 0,8% бензола (предпочтительно меньше или без бензола), не более 40 млн.ч. серы (предпочтительно меньше или без серы), с общей концентрацией 0₂в интервале от 1,0 до 2,7-2,5 мас.% O₂ в виде диметилкарбоната, МТБЭ, ЭТБЭ, ТАМЭ или этанола, с содержанием циклоароматического трикарбонилмарганца от 0, 00413 до 0,0495 г Mn/дм³ (от 1/16 до 3/16 г Mn/гал) (предпочтительно 0,00826 г Mn/дм³ или 1/32 г Mn/гал), предельной температурой Т-90 149°С (300°F), предпочтительно 138°С (280°F), температурой Т-50 приблизительно от 77°С (170°F) до 110°С (230°F), октановым числом (R+M)/2 не ниже 87, бромным числом 20 или ниже, средней латентной теплотой испарения 59,92, 60,59, 61, 25 ккал/дм³ (900, 910, 920 БТЕ/гал) или выше при 16°С (60°F); теплотворной способностью выше 7057 ккал/дм³ (106000 БТЕ/гал) при 16°С (60°F) (более предпочтительно - выше 7190 ккал/дм³ (108000 БТЕ/гал), 7590 ккал/дм³ (114000 БТЕ/гал)); при этом выделение токсичных веществ 1,3-бутадиена, формальдегида или ацетальдегида снижается и/или повышается экономия топлива.

Пример 122

Пример 121, в котором кислородсодержащей добавкой является МТБЭ в количестве 2,0 мас.%, средняя латентная теплота испарения топлива превышает 59,92 ккал/дм³ (900 БТЕ/гал) при 16°С (60°F), предпочтительно превышает 60,25 ккал/дм³ (905 БТЕ/гал) при 16°С (60°F); концентрация ММТ составляет 0,00826 г Mn/дм³ (1/32 г Mn/гал); средняя теплотворная способность превышает 7957 ккал/дм³ (106000 БТЕ/гал) при 16°С (60°F), а средняя скорость ламинарного горения в условиях окружающей среды превышает 48 см/с.

Пример 123

Содержащая МТБЭ композиция примера 122, в которой концентрация ММТ превышает 0,00826 г Mn/дм³ (1/32 г Mn/гал.).

Пример 124

Описанные выше примеры, в которых кислородсодержащей добавкой является ДМК, а концентрация ММТ превышает 0,00826 г Mn/дм³ (1/32 г Mn/гал.).

Пример 125

Композиция примеров 108, 121, в которой УПР составляет 0,478, 0,457, 0,422, 0,387 кг/см² (6,8, 6,5, 6,0, 5,5 фунт/кв. дюйм) или ниже.

При осуществлении изобретения с целью снижения контролируемых выделений вредных веществ предпочтительные бензиновые композиции включают в себя, но не ограничиваются композициями, имеющими следующие характеристики:

Пример 126

Топливо В и С из табл.6, в которых 1) содержатся предлагаемые кислородсодержащие добавки и 2) улучшающее горение количество марганца, 3) в которых суммарное количество испарений топлива при хранении и транспортировке к камере горения и выбросов в атмосферу продуктов сгорания 4) таково, что в 1995 г. выделения летучих органических веществ и токсичных, загрязняющих воздух веществ у этого топлива по массе составляют на 15% ниже, чем у базового топлива, как определено 211 (k) Закона о чистоте воздуха, и 5) таково, что в 2000 г. выделения летучих органических веществ и токсичных, загрязняющих воздух веществ у этого топлива по массе составят на 25% ниже, чем у базового топлива.

Пример 127

Композиция топлива на основе неэтилированного, не содержащего фосфор, облагороженного бензина с УПР не более 0,562, 0,506, 0,492, 0,457 кг/см² (8,0, 7,2, 7,0, 6,5 фунт/кв.дюйм), с содержанием олефинов не более 8,0, 6,0 об.%, ароматики - не более 20-25 об.%, бензола - не более 1%, 0,8% (предпочтительно меньше), серы - не более 300-400 млн.ч. (предпочтительно меньше, или не содержащего серу), с концентрацией O₂ от 2,0 до 2,7 или 3,5 мас.% O₂ в виде диметилкарбоната, с содержанием циклоароматического трикарбонилмарганца или смеси от 0,00413 до 0,0495 г Mn/дм (от 1/64 до 3/64 г Mn/гал) (предпочтительно выше 0,00826 г/дм³ или 1/32 г/гал), с максимальной температурой Т-90 от 149 до 160°С (от 300 до 320°F) (предпочтительно 138°С (280°F) или ниже), с предпочтительной температурой Т-50 приблизительно от 77 до 104°С (от 170 до 220°F); с минимальной латентной теплотой испарения 59,92 - 60,25 ккал/дм³ (900-905 БТЕ/гал) при 16°С (60°F) (предпочтительно выше 61,25 ккал/дм³ (920 БТЕ/гал) при 16°С (60°F)), с минимальной теплотворной способностью композиции, содержащей 2,0 мас.% О₂, 7057 ккал/дм³ (106000 БТЕ/гал) при 16°С (60°F), и с минимальной средней скоростью ламинарного горения при условиях окружающей среды 48 см/с (более предпочтительно от 50 до 52 см/с).

Пример 128

Предыдущий пример, в котором композиция дополнительно содержит добавки, регулирующие отложения, в соответствии с 211 (1) и соответствующими разделами и правилами Закона о чистоте воздуха.

Пример 129

Пример 127, в котором композиция может дополнительно содержать по меньшей мере один из спиртов C₄-C₆ или другую добавку, обеспечивающую гигроскопическую стабильность (водорастворимость).

Пример 130

Примеры 106, 107, 111, в которых с помощью системы впрыска топлива осуществляют подачу паров топлива при подходящем давлении в камеру сгорания, где средний размер частиц паров топлива составляет меньше 60 микрон, использована система рециркуляции выхлопного газа (РВГ), бортовой датчик кислорода и датчики впрыска, при этом экономия топлива повышается по меньшей мере на 2%.

Пример 131

Примеры 106, 107, 111, в которых с помощью системы впрыска топлива осуществляют подачу паров топлива при оптимальном давлении в камеру сгорания, где средний размер частиц паров топлива составляет 10, 20, 30 или 40 микрон, при одновременном использовании турбонасоса, системы РВГ, бортового датчика кислорода и датчиков впрыска, при этом экономия топлива повышается по меньшей мере на 2%.

Пример 132

Примеры 106, 107, 111, в которых конструкция камеры сгорания способствует увеличению скорости турбулентного горения.

Пример 133

Примеры 106, 107, 111, 127, в которых конструкция камеры сгорания способствует увеличению скорости турбулентного горения, степень сжатия составляет от 2,0:1 до 6,5:1, 7,5:1, 8,0:1, 8,5:1, 9,0:1, 9,5:1, 10:1, 10,5:1, 11,0:1, более предпочтительно 11,5:1.

Пример 133а

Примеры 107, 127, в которых использован диметилкарбонат, а степень сжатия составляет от 9,5:1 до 12,5:1.

Пример 134

Примеры 106, 107, 111, в которых конструкция камеры сгорания способствует увеличению скорости турбулентного горения, а степень сжатия превышает 17:1.

Пример 135

Примеры 106, 107, 111, в которых система сгорания работает совместно с системой контроля и регулировки выхлопных газов, содержащей катализатор дожига выхлопных газов и бортовой кислородный датчик.

Пример 136

Способ работы, при котором по меньшей мере 30% автомобильного парка США использует указанное топливо, при этом общая концентрация в воздухе соединений марганца, выделяемых при такой работе, не превышает 0,05 мкг/м³ или стандарт АЗОС, в зависимости от того, какая из величин меньше.

Предложенные бензиновые композиции явно предполагают снижение выделения вредных веществ и имеют состав, представленный в табл.7 и 8.

Примечание 1. Снижение относительно базового бензина, соответствующего 211 (k) (10) (В).

Примечания

1. Снижение относительно базового бензина, соответствующего 211 (k) (10) (В).

2. В виде диметилкарбоната.

3. Концентрации марганца могут составлять от 0,00413 до 0,0661 г/дм³ (от 1/64 до 1/4 г/гал).

При осуществлении изобретения при составлении топливных композиций, отвечающих стандартам ОТБ, может потребоваться специальный подбор. Установлено, что можно подобрать различные компоненты, оказывающие наибольшее воздействие на снижение определенных специфических выделений:

ЛОС: УПР, ароматика, сера.

NO_x: сера, ароматика, олефины.

Токсичные вещества: бензол, ароматика, кислород.

При осуществлении изобретения кислородсодержащие соединения УГС с метильными группами, такие как метанол, диметилкарбонат, МТБЭ и ТАМЭ и т.п., вероятно, проявляют несколько большую способность к снижению выделения токсичных веществ, чем соединения с этильными группами, такие как этанол, ЭТБЭ и т.п.

При составлении композиций обычного или ОТБ топлива снижение упругости паров по Рейду (УПР) оказывает значительное воздействие на снижение выделения ЛОС. При осуществлении изобретения предпочтительно снижение упругости паров по Рейду (УПР) получаемой топливной композиции до 0,492, 0,457, 0,422, 0,387, 0,352, 0,316 кг/см² (7,0, 6,5, 6,0, 5,5, 5,0, 4,5 фунт/кв.дюйм) или ниже.

УПР является основным показателем выделения ЛОС путем испарения, а снижение УПР является лучшим способом снижения выделения массы ЛОС путем испарения, как определяет АЗОС. Например, снижение УПР с 0,612 до 0,457 кг/см² (с 8,7 до 6,5 фунт/кв.дюйм) уменьшает массовое выделение ЛОС приблизительно на 23%, снижает выделение токсичных веществ примерно на 4%, снижает выделение NO_x примерно на 0,5%.

Увеличение содержания кислорода в топливе приводит к сильному снижению выделения токсичных веществ. По-видимому, существует линейная зависимость между увеличением массового содержания кислорода и снижением выделения токсичных веществ. Увеличение содержания O₂, вероятно, оказывается одним из основных показателей снижения выделения токсичных веществ. Например, повышение содержания O₂ с 0% до 3,5 мас.% снижает выделение токсичных веществ примерно на 11%.

Требования к облагороженному топливу устанавливают, что концентрации О₂ выше 2,7 мас.%, особенно в виде МТБЭ, непосредственно снижают выделение NO_x. Автор неожиданно установил при осуществлении изобретения, что концентрации O₂ выше 2,7 мас.% способны регулировать ожидаемое увеличение NO_x. Это показано на фиг.6, где увеличение скорости горения кислородсодержащего топлива с содержанием кислорода до 4,2% (топливо с метанолом и этанолом - "топливо МЕОН") приводит к существенному снижению выделения NO_x с возрастанием скорости горения. По-видимому, это явление также зависит от температуры горения. Например, на фиг.3 показано, что при низких температурах горения наблюдается снижение выделения NO_x независимо от концентрации O₂.

В любом случае более высокие концентрации О₂, приводящие к более сильному снижению температуры сгорания, по-видимому, являются основным фактором изобретения, влияющим на снижение выделения NO_x. Таким образом, предпочтительно применять по меньшей мере 1,5 мас.% или более кислорода, что позволяет достичь оптимального сгорания топлива с содержанием 0,00826 г/дм³ (1/32 г/гал) Mn или более. Концентрации кислорода ниже 1,5-2% не являются оптимальными для изобретения.

Таким образом, при осуществлении изобретения имеется возможность заметного увеличения концентрации О₂ в ОТБ (сверх той, которая разрешена действующими правилами) для снижения NO_x, выделения токсичных веществ, в отсутствие ожидаемого снижения экономии топлива и увеличения выделения NO_x и др.

Таким образом, при осуществлении изобретения применяют концентрации О₂ выше 2,0, 2,1, 2,7, 3,5, 4,0 и даже 5, 6 мас.% или выше.

Снижение ароматики оказывает сильное воздействие на снижение выделений токсичных веществ, ЛОС и NO_x. По-видимому, снижение является линейным, при этом наибольшее воздействие наблюдается на выделение токсичных веществ, снижение которого аналогично снижению выделения токсичных веществ при уменьшении содержания бензола и/или увеличении содержания О₂. Например, снижение ароматики с 33% приблизительно до 10 об.% понижает выделение токсичных веществ, NO_x и ЛОС примерно на 17, 7 и 6% соответственно.

При осуществлении изобретения желательное содержание ароматики в ОТБ составляет менее 25%, предпочтительно 20%, наиболее предпочтительно от 18 до 10%.

Однако, как отмечено выше, при достижении более высоких скоростей горения при низких или пониженных температурах сгорания, как предполагается при осуществлении изобретения, заметное снижение выделения токсичных и других веществ, связанных с ароматикой, наблюдается и у топлива ОТБ с концентрацией ароматики выше приемлемого уровня или даже выше уровня, разрешенного правилами.

Это снижение является существенным, неожиданным и лежит за пределами достижимого другими способами при получении композиций стандартного топлива ОТБ.

Соответственно можно использовать топливо с концентрацией ароматики выше той, которая в настоящее время допускается стандартами на выделения вредных веществ из ОТБ, при этом эксплуатационные характеристики и выделение вредных веществ отвечают требованиям закона.

Уменьшение концентрации бензола, вероятно, вызывает непосредственное и линейное снижение выделения токсичных веществ. Например, уменьшение содержания бензола с 1,5 до 0,5 об.% снижает выделение токсичных веществ примерно на 17%. Таким образом, уменьшение содержания бензола, как и увеличение содержания О₂, является одним из наиболее сильных факторов снижения выделения токсичных веществ. Предпочтительно концентрация бензола составляет менее 1,0 об.%, наиболее предпочтительно - близко к 0%.

Однако, как и для ароматики, при осуществлении изобретения можно использовать концентрации бензола выше разрешенных, и при этом достигается ощутимое снижение выделения токсичных и других вредных веществ, за пределами достижимого другими способами при действующих нормативах составления топлива ОТБ. Вновь это является весьма неожиданным. Соответственно, можно использовать топливо с концентрацией бензола выше той, которая в настоящее время допускается действующими стандартами на выделения вредных веществ из ОТБ, при этом достигается соответствие эксплуатационных характеристик и/или выделений вредных веществ.

Уменьшение содержания серы вызывает линейное снижение выделений NO_x, токсичных веществ и ЛОС ( в порядке уменьшения относительного % снижения выбросов). Например, уменьшение содержания серы с 340 млн.ч. примерно до 50 млн.ч. вызывает снижение выделения NO_x, токсичных веществ и ЛОС примерно на 11,0%, 8,5% и 3,5% соответственно. По-видимому, снижение содержания серы существенно влияет на снижение выделения NO_x. При осуществлении изобретения особенно предпочтительны концентрации серы ниже 40 млн.ч. Еще более предпочтительны концентрации серы 30 млн.ч. или ниже (или отсутствие серы). Вновь осуществление изобретения позволяет получить допустимые с точки зрения окружающей среды выделения NO_x, токсичных веществ и ЛОС даже с концентрациями серы, превышающими разрешенные нынешними нормами.

Однако концентрация серы порядка 200 млн.ч. или выше, вероятно, является допустимой вследствие возрастания скорости горения и пониженных температур сгорания в данном изобретении, что, видимо, ингибирует отрицательное воздействие серы на выделение NO_x и токсичных веществ.

Снижение концентраций олефинов ниже 9,5% вызывает небольшое снижение выделения NO_x и токсичных веществ, и небольшое увеличение выделения ЛОС. Повышение содержания олефинов выше 9,2-9,5% вызывает небольшое снижение ЛОС, но и небольшое повышение выделения токсичных веществ и NO_x. Таким образом, оптимальная концентрация олефинов, по-видимому, составляет 9,2-9,5 об.%. Однако увеличение выделения вредных веществ при концентрациях олефинов выше или ниже 9,2-9,5% несущественно по сравнению с % уменьшения выделения тех же вредных веществ вследствие, например, снижения концентрации ароматики.

Таким образом, снижение содержания олефинов ниже 9,2 об.% приемлемы и желательны, особенно при одновременном снижении концентрации ароматики. Иначе говоря, снижение содержания олефинов ниже 9,2 об.% желательно, если при снижении УПР или содержания ароматики одновременно повышается выделение ЛОС. Вновь снижение температуры горения в соответствии с изобретением существенно компенсирует такое повышение. Таким образом, содержание олефинов за пределами существующих норм допустимо при выполнении требований по эксплуатационным свойствам и выделению вредных веществ.

Снижение температуры Е 200, или кипящей при 93°С (200°F) фракции перегонки, приводит к позитивному снижению выделения ЛОС и токсичных веществ. Иначе говоря, с уменьшением температуры Е 200 или с увеличением содержания этой фракции перегонки примерно выше 41% наблюдается снижение выделения ЛОС и токсичных веществ. Однако также наблюдается возрастание выделения NO_x. С увеличением содержания фракции Е 200, например, с 42 до 60%, выделение ЛОС и токсичных веществ снижается приблизительно на 3,0-4,0%, но выделение NO_x повышается примерно на 2,0%. Однако независимо от таких изменений, тем не менее наблюдается значительное уменьшение этих выделений.

Автор считает, что слишком высокое содержание фракции Е 200 (выражающееся в слишком низкой температуре Т-50) имеет свои недостатки, поскольку управляемость автомобилем в теплую погоду ухудшается при температуре фракций Т-50 ниже 77°С (170°F), особенно при содержании O₂ 1,0%, 2,0% или выше. С такой ухудшенной управляемостью вследствие трудностей при повторном запуске двигателя, и т.п., вероятно, возникают более вредные выделения, чем достигаемое другими способами небольшое их снижение. Таким образом, при осуществлении изобретения температуры Т-50 по возможности должны превышать 77, 79, 82, 85, 88°С (170, 175, 180, 185, 190°F).

С увеличением содержания фракции Е 300 с 84 до 95% наблюдается небольшое уменьшение выделения ЛОС и NO_x примерно на 2,0% и 0,5% соответственно. Выделение токсичных веществ возрастает примерно на 1,5%. Такие малые изменения вряд ли заслуживают рассмотрения.

Однако при использовании предложенных в изобретении средств улучшения сгорания и снижения температуры рост выделения токсичных веществ снижается, а преимущество использования топлива с повышенной средней латентной теплотой испарения усиливает действие ММТ.

При осуществлении изобретения явно подразумевается, что исходная топливная композиция ОТБ подобрана по составу во многих отношениях, например таким подбором состава можно устранить почти всю полиядерную ароматику, всю ароматику С10+, в частности, нафталин, пирен, антрацен и т.п. Состав может быть подобран так, чтобы устранить токсичные вещества, например, 1,3-бутадиен и т.п. Состав композиции также может быть подобран так, чтобы уменьшить содержание веществ с низкой скоростью горения, низкой латентной теплотой испарения и/или низкой удельной теплоемкостью. Такой подбор может быть применен и к другим видам предлагаемого в изобретении топлива, включая, например, жидкое топливо No.2 и No.6 для реактивной авиации.

Наиболее предпочтительны в изобретении концентрации Mn в неэтилированном бензине, включая авиационный бензин, облагороженный бензин, от 0,00826 г Mn/дм³ (1/32 г Mn/гал), 0,0165 г Mn/дм³ (1/16 г Mn/гал) приблизительно до 0,0991 г Mn/дм³ (3/8 г Mn/гал). Концентрация марганца 0,00826 г/дм³ (1/32 г/гал) особенно предпочтительна, так как дает наилучший антидетонационный эффект с учетом цены грамма Mn. Однако эта величина является нижним пределом с точки зрения требований окружающей среды при использовании кислородсодержащих соединений УГС, особенно при концентрациях кислорода свыше 2 мас.%.

В отсутствие использования кислородсодержащих соединений УГС, но с использованием, например, механических средств, в частности улучшенного распыления и/или бензина с пониженной температурой сгорания и т.п., например с пониженной температурой Т-90 (и/или с пониженным содержанием ароматики), концентрация 0,00826 г/дм³ (1/32 г/гал) Mn может быть приемлемой для регулирования выделения УВ.

Хотя в обычном способе осуществления данного изобретения подразумевается использование меньших количеств топлива УГС в сочетании с бензиновым топливом, предполагается, что в усовершенствованном способе применения все и/или большую часть топлива составит топливо УГС. Таким образом, в одном из вариантов осуществления изобретения использована композиция, содержащая большей частью диметилкарбонат, улучшающее горение количество циклопентадиенилтрикарбонил марганца, и меньшей частью бензиновое топливо.

Предложенные в изобретении виды бензина и другого топлива могут содержать в безопасных для окружающей среды количествах, дополнительно или вместо имеющихся антидетонаторов другие антидетонационные агенты, в частности циклопентадиенилникель-нитрозил, N-метиланилин и т.п. Могут быть использованы известные активаторы антидетонаторов. Может быть также добавлен 2, 4-пентандион.

Топливо должно содержать диспергаторы, детергенты, эмульгаторы, дезактиваторы металла, ароматические амины, дополнительные добавки для защиты клапанов и уплотнений клапанов от износа. В качестве не исчерпывающих примеров таких добавок можно привести оксиды бора, оксиды висмута, связанный керамикой CaF₂, фосфат железа, трикрезилфосфат, натрийсодержащие добавки и т.п.

Топливо может также содержать антиоксиданты, в качестве не исчерпывающих примеров которых можно привести 2,6-дитретбутилфенол, 2,4,6-тритретбутилфенол, 4-метил-2,6-дитретбутилфенол, 2-третбутилфенол иих смеси; 2,6-дитретбутил-п-крезол; фенилендиамины, например, N,N'-ди-вторбутил-п-фенилендиамин, N-изопропилфенилендиамин; N,N'-дисалицилиден-1, 2-пропандиамин; смеси третбутилзамещенных фенолов и/или ароматических аминных антиоксидантов, иих смеси.

Предполагается, что топливо содержит регулирующие нагар добавки, в качестве не исчерпывающих примеров которых можно привести полиалкенилсукцинимид простого полиэфирамина, или полиалкенилсукцинимид, углеводородные карбонаты, в частности полибутиловый спирт, полибутилхлороформат, полибутенамины, нанесенные на минеральные или другие носители, полиизобутиленамин, нанесенный на простые полиэфирные носители; однокомпонентные простые полиэфирамины и т.п. Ряд других добавок указан ранее в описании, иих применяют в бензинах и других видах топлива. Аналогично, эти и другие указанные здесь добавки также применяют в бензине. Предполагается, что топливо может содержать один или более беззольных детергентов, в качестве не исчерпывающих примеров которых можно привести простые полиэфирамины, полиалкениламины, алкенилсукцинимиды, амиды простых полиэфираминов и т.п. Топливо может содержать такие добавки, как F 310, полибутенамины, аминосодержащие или полимерные детергенты и т.п.

Топливо также может содержать добавки для удаления статического электричества. При осуществлении изобретения подразумевается, что топливо УГС может снизить опасность статического электричества до определенного уровня. Топливо может содержать ингибитор коррозии и т.п.

Базовое топливо может содержать углеводороды, кипящие за пределами интервала кипения обычного бензинового топлива, и этот интервал может быть изменен в допустимых для бензина пределах.

АВИАЦИОННЫЙ БЕНЗИН

В изобретении также предложен авиационный бензин в качестве компонента топлива и результирующие топлива, соответствующие стандарту ASTM D 910 (см. табл. 9), в частности неэтилированные. В отличие от других примеров реализации настоящего изобретения менее предпочтительный авиационный бензин может содержать свинец. Тем не менее, предпочтительные примеры реализации настоящего изобретения не содержат свинца.

В настоящем изобретении предложен широкий спектр авиационных бензинов для гражданских и военных целей, включая такие области применения, которые не соответствуют ASTM. Так, в таблице 9 представлен авиационный бензин, пригодный для большинства типов авиационных двигателей с искровым зажиганием; однако некоторые устройства или условия использования могут потребовать топлива, имеющего другие характеристики.

Основным преимуществом настоящего изобретения является то, что оно позволяет значительно улучшить тепловой кпд или полезную работу данного количества топлива, при этом типичным является увеличение на 2%, 5,0%, 7,5%, 10,0% или больше. Так, дальность полетов самолетов, работающих на авиационном бензине в соответствии с настоящим изобретением, может быть увеличена на величину от 2 до 30% или больше в зависимости от обстоятельств.

В настоящем изобретении предложено три основных сорта авиационного бензина, которые удовлетворяют ASTM: сорт 80, сорт 100 и сорт 100LL.

Сорта 100 и 100LL представляют собой два авиационных бензина, идентичных по октановому числу, однако отличающихся по максимальному содержанию свинца и цвету. Цвет является отличительным признаком при выборе топлива для двигателей, которые имеют низкую устойчивость к свинцу.

Хотя сортность дает только октановое число для каждого сорта, каждый сорт должен соответствовать минимальному индексу обедненной смеси и минимальному индексу обогащенной смеси при наддуве.

Авиационный бензин, за исключением указанного особо в данном описании, состоит из смесей очищенных углеводородов, полученных из сырой нефти, природного бензина или их смесей с синтетическими углеводородами или ароматическими углеводородами или и теми, и другими соединениями.

Добавки, за исключением тетраэтилсвинца, красителей и антиоксидантов, приведенных в таблице 9, разрешены к применению в соответствии с пунктом 5,1 и разделом 7 ASTM D 910. Они включают также антиобледенители топливных систем и специальные добавки.

Можно использовать также монометиловый эфир этиленгликоля (МЭЭГ), удовлетворяющий требованиям ASTM D 4171 (замечание 1) в концентрациях от 0,10 до 0,15 об.%. Монометиловый эфир 1-этиленгликоля и изопропиловый спирт и монометиловый эфир диэтиленгликоля имеют подходящее качество, как указано в ASTM D 4171, и также могут быть использованы.

В таблице 9 приведены примеры авиационных бензинов, предложенных в настоящем изобретении, и требования к ним.

В соответствии с настоящим изобретением авиационный бензин не должен содержать воды, осадков и суспендированных веществ. Запах топлива не должен быть плохим или раздражающим.

Аналогично использованию топлива в автомобилях, следует избегать детонации, как рассмотрено в настоящем изобретении. Так, воздушно-топливные смеси в цилиндре двигателя с искровым зажиганием могут при определенных условиях самопроизвольно возгораться в локализованных областях вместо распространения горения от свечи. Это может вызвать детонацию или взрыв, что недопустимо в авиационных двигателях. Такая детонация, если еще и допустима в течение более чем коротких периодов, может привести к серьезной потере мощности и разрушению авиационного двигателя. При использовании авиационного бензина в других типах авиационных двигателей, например в некоторых турбинных двигателях, специально разрешенных к использованию производителями двигателей, отсутствие детонации не является критическим. Так, предложенные в настоящем изобретении авиационные бензины чувствительны к антидетонационным требованиям и требуют соответствующего внимания.

В настоящем изобретении предложено использование сортов авиационного бензина, маркированных двумя числами, разделенными дефисами или, иногда, косой чертой. Первое число называется "индекс обедненной смеси", а второе число называется "индекс обогащенной смеси". В описании рассмотрены три сорта авиационных бензинов: 80-87, 100-130, 100-130LL. Числа ниже 100 представляют собой низкооктановые числа, а числа выше 100 - высокооктановые числа. При 100 низкооктановое число соответствует высокооктановому числу. Индекс LL обозначает сорт, содержащий более низкое количество тетраэтилсвинца, чем второй сорт с идентичным индексом обедненной и обогащенной смесей. Индексы обедненной смеси и обогащенной смеси можно использовать как характеристику антидетонационных свойств в полномасштабных двигателях в условиях полета (обедненные смеси) и взлета (обогащенные смеси).

Было обнаружено, что при добавлении изопропилового спирта к сорту 100 авиационного бензина в качестве антиобледенителя топливной системы антидетонационный индекс топлива может быть существенно снижен. Поскольку иэопропиловый спирт обычно добавляют к топливу на месте использования, оператор может быть обеспокоен тем, что высокооктановые числа топливно-спиртовой смеси могут не соответствовать стандартному минимуму. Обычное снижение высокооктанового числа при добавлении 1 об.% изопропилового спирта составляет примерно 0,5 высокооктанового числа от индекса обедненной смеси и 3-3,5 высокооктанового числа от индекса обогащенной смеси. Так, сорт авиационного бензина 100, который при антидетонационном тесте на месте производства должен иметь высокооктановое число 100/130, при добавлении 1% спирта может иметь высокооктановое число 99,5/127. Это снижение при добавлении 3 об.% спирта может составить примерно 1,5 и 7,5 высокооктанового числа для обедненной и обогащенной смесей соответственно. Такое применение добавки изопропилового спирта может повысить октановый индекс.

По возможности использование свинца должно быть смягчено или исключено настоящим изобретением.

Авиационные бензины, предложенные в настоящем изобретении, имеют минимальную суммарную теплоту сгорания 10,4 ккал/кг (18720 БТЕ/фунт). Как было обнаружено, теплота выше 10,0 ккал/кг (18 000 БТЕ/фунт) в особенности предпочтительна с точки зрения увеличения генерируемой энергии. Однако при данной природе топлива и жестких стандартах ASTM, приемлемы более низкие величины энергии, которые в некоторых областях применения более желательны.

Во многих авиационных двигателях с искровым зажиганием расход бензина измеряют в жидком виде при его протекании через карбюратор, где он смешивается с воздухом и переходит в паровую фазу перед попаданием в компрессор наддува, из которого воздушно-топливная смесь поступает в цилиндр двигателя. В других типах двигателей топливо может быть дозировано непосредственно в компрессор наддува, или в цилиндр, или в камеру сгорания. Летучесть, тенденция к испарению или переход от жидкого к газообразному состоянию являются чрезвычайно важными характеристиками авиационного топлива. Предпочтительно, если используется атомизация топлива, как указано выше.

Предпочтительное максимальное давление паров авиационного бензина, предложенного заявителем, не должно превышать 7 фунтов/дюйм² (48,26 кПа).

Дистилляционные соотношения авиационного бензина, предложенного в настоящем изобретении, обычно удовлетворяют ASTM. Максимальная величина составляет при 75°С (167°F) 10% температуры испарения, для того чтобы облегчить стартование и приемлемую степень пластичности в период разогрева. Для предупреждения слишком высокой летучести, которая может вызвать обледенение карбюратора или паровую пробку или оба этих явления, минимальная величина должна составлять 153°С (307°F) по сумме для 10 и 50% точки испарения.

Минимальная величина составляет 75°С (167°F) для Т-90, что соответствует потребности в регулировании косвенным образом удельной плотностии, следовательно, характеристик, необходимых для дозирования топлива в карбюратор.

Тем не менее, рассмотрена возможность модификации температуры кипения в пределах этих требований и снижение температуры Т-90 для улучшения качества сгорания и/или увеличения скорости сгорания.

ПРИМЕЧАНИЯ:

¹ Содержащиеся здесь требования являются абсолютными и не корректируются для совместимости методов. Если были проведены сложные испытания, полученные значения усредняют.

² Методы испытаний, указанные в этой таблице, относятся к разделу 9.

³ Представленные в таблице 1 данные соответствуют Aviation Method Ratings. Октановые числа для моторных топлив, полученные по ASTM D2700 должны быть переведены в октановые числа для авиационных топлив в соответствии с таблицей 2 переводных коэффициентов.

⁴ Цвета одобрены Medical Director Chief, Division of Occupational Health, U.S. Department of Health, Education and Welfare.

⁵ По согласованию между покупателем и продавцом сорт 80 может быть неэтилированным. В этом случае топливо не будет содержать красителя, а цвет по ASTM D 156 должен быть не темнее +20.

⁶ Единственным голубым красителем, который может присутствовать в товарном бензине, является 1,4-диалкиламиноантрахинон.

⁷ Единственные желтые красители, которые могут присутствовать в товарном бензине, представляют собой п-диэтиламиноазобензол (Номер 11021), или фенол,2,2'-[3,3'-диметил][1,1'-бифенил]-[4,4'диил]-бис[4-нонил] (Color Index Solvent Yellow No. 107) или 1,3-бензолдиол,2,4-бис[(алкилфенил)азо-].

⁸ Единственные красные красители, которые могут присутствовать в товарном бензине, представляют собой по существу метилпроизводные азо-бензол-4-азо-2-нафтола (метилпроизводные (Color Index 26105)) или алкилпроизводные азо-бензол-4-азо-2-нафтола.

⁹ Тетраэтилсвинец следует добавлять в виде антидетонационной смеси, содержащей не менее 61% тетраэтилсвинца и достаточное количество этилендибромида для того, чтобы на атом свинца приходилось по два атома брома. Не должно содержаться других компонентов, помимо керосина, известного ингибитора и голубого красителя.

¹⁰ Можно использовать данные из таблицы 1 по ASTM D1405. В качестве альтернативы можно применить ASTM D 2382. При расхождении данных следует использовать ASTM D 2382. В последнем случае, минимальное значение чистой теплоты сгорания должно составлять 18700 БТЕ/фунт для сортов 80,100 и 100 LL.

¹¹ Сумма C₁ + С₂ = 5/9 (F₁ - 32 + F₂ - 32).

¹² По согласованию между покупателем и продавцом авиационный бензин может соответствовать ASTM D 873 (16-часовая выдержка вместо 5-часовой). В этом случае содержание смолы не должно превышать 10 мг/100 мл, а видимый осадок свинца не должен превышать 4 мг/100 мл. В таком топливе допустимое содержание антиоксидантов не должно превышать 8,4фунта/1000 bbl (42 гал).

¹³ Требования относительно видимого осадка относятся только к этилированным бензинам.

¹⁴ Допустимые антиоксиданты включают:

N,N'-диизопропил-пара-фенилендиамин

N,N'-дивторбутил-пара-фенилендиамин

2,4-диметил-6-третбутилфенол

2,6-дитретбутил-4-метилфенол

2,4-дитретбутилфенол

75% мин. 2,6-дитретбутилфенола +25% макс. трет и тритретбутил-фенола

75% мин. ди- и три-изопропилфенола + 25% макс. ди- и три-третарилбутилфенолов

Эти ингибиторы можно добавлять в бензин по отдельности или в сочетании при общем их содержании не выше 4,2 фунт ингибитора (без учета массы растворителя) на 1000 bbl (42 гал).

Пример 137

Авиационный бензин, содержащий углеводородное базовое топливо с минимальным низко- или высокооктановый числом 87 или 130, представляющее собой фракцию дистиллята, для которой сумма температур Т-10 + Т-50 фракций составляет 153°С (307°F), температура Т-40 составляет 75°С (167°F) и температура Т-90 составляет менее 121°С (250°F), при содержании серы максимально 0,05 мас.% (предпочтительно меньше), и улучшающее горение количество диметилкарбоната.

Пример 138

Пример 137, в котором состав авиационного бензина не содержит свинца и включает смесь углеводородов, улучшающее горение количество соединения циклического трикарбонила марганца в пределах от 0,00026 до 0,26 г Mn/л (от 0,001 до 1,00 г Mn/гал), от 0,00026 до 1,32 г Mn/л (от 0,001 до 5,00 г Mn/гал), от 0,00026 до 0,066 г Mn/л (от 0,001 до 0,25 г Mn/гал), от 0,00026 до 0,033 г Mn/л (от 0,001 до 0,125 г Mn/гал), (и более 0,066 г Mn/л (0,25 г Mn/гал), улучшающее горение количество диметилкарбоната в интервале от 0,01% до 20 мас.%, в результате чего низкооктановое число по ASTM D 2700 составляет 100, при соответствии характеристик топлива жестким стандартам ASTM.

Пример 139

Состав примера 137, не содержащий свинца, в котором содержание циклического трикарбонила марганца (ЦТМ) составляет более 0,016, 0,033, 0,066, 0,132, 0,165 г Mn/л (1/16, 1/8, 1/4, 1/2 или 5/8 г Mn/гал), улучшающее горение количество диметилкарбоната превышает 1 мас.%, предпочтительно превышает 1,5 мас.%, а минимальная чистая теплота сгорания составляет приблизительно 10278, 10380, 10440 ккал/r (18500, 18720, 18800 БТЕ/фунт) или более предпочтительно превышает 10556 ккал/г (19000 БТЕ/фунт).

Пример 140

Состав примера 137, не содержащий свинца, в котором содержание ЦТМ составляет более 0,016, 0,033, 0,066, 0,132, 0,165 г Mn/л (1/16, 1/8, 1/4, 1/2 или 5/8 г Mn/гал), улучшающее горение количество диметилкарбоната превышает 1 мас.%, предпочтительно превышает 1,5 мас.%, а минимальная чистая теплота сгорания составляет приблизительно от 9170 до 10278 ккал/г (от 16500 до 18500 БТЕ/фунт), при этом дальность полета увеличивается по меньшей мере на 5% по сравнению с чистым топливом.

Пример 141

Способ работы авиационного двигателя на авиационном бензине, отличающийся тем, что смешивают топлива из примера 137, подают указанные топлива в систему инжекции или испарения, в которой топлива инжектируют в трубопровод двигателя или в камеру сгорания при среднем размере капель топлива менее 60 мкм, в результате чего сжигание полученного топлива приводит к увеличению мощности, теплового кпд или эффективности сгорания на 2% или больше.

Пример 142

Способ примера 141, в котором топливо получают с использованием диметилкарбоната, так что при этом температура сгорания уменьшается по меньшей мере на 13,9°С (25°F), в результате чего тепловой кпд увеличивается на 5 - 10% и/или срок службы авиационного двигателя увеличивается по меньшей мере на 5%.

Пример 143

Пример 137-140, в котором топливо дополнительно имеет конечную температуру кипения менее 149°С (300°F) (или альтернативно температуру Т-90 менее 121°С (250°F)) и/или среднюю латентную теплоту испарения, повышенную по сравнению с базовым топливом по меньшей мере на 2,0%, предпочтительно на 5,0% или больше.

Пример 144

Примеры 144, в которых топливо дополнительно содержит улучшающее горение количество ЦТМ, составляющее 0,004, 0,008, 0,016, 0, 033, 0,066, 0,099, 0,132, 0,165, 0,198, 0,26 г Mn/л (1/64, 1/32, 1/16, 1/8, 1/4, 3/8, 1/2, 5/8, 3/4, 1 г Mn/гал), при предпочтительной концентрации, превышающей 0,066 г Mn/л (1/4 г Mn/гал).

Пример 145

Примеры 137-145, в которых топливо является неэтилированным.

Пример 146

Примеры 137-146, в которых содержание ароматических веществ в топливе менее 20 об.%, при этом бензин составляет менее 1 об.%.

Пример 147

Примеры 141-142, в которых топливо подвергают сжиганию в двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием, снабженных инжектором топлива или трубопроводом и/или другими средствами, при этом размер частиц топлива в среднем составляет 70 мкм или меньше, топливо подают или инжектируют в камеру сгорания, в которой горение протекает на высоте от 15 км до 30 км (от 5000 до 10000 футов) над уровнем моря или выше, при увеличении эффективности горения по меньшей мере на 5%.

В соответствии с настоящим изобретением тест на Copper Strip Corrosion Test # 1, или меньше, является предпочтительным для предупреждения коррозии металлических частей топливной системы.

Максимальная точка замерзания не должна превышать -72°, для того чтобы избежать затвердевания любых углеводородных компонентов при особенно низких температурах с последующим нарушением притока топлива в двигатель. Показано, что добавки, включая указанные выше, могут быть использованы для того, чтобы выполнить эти требования.

Предложенные в изобретении авиационные бензины должны быть пригодны к использованию после хранения в течение различных периодов в разнообразных климатических условиях. Тест на потенциальное образование смолы, который является ускоренным методом окисления, используют для оценки стабильности топлива при хранении и эффективности действия ингибиторов окисления. Если топливо хранят в относительно мягких условиях в течение коротких периодов, предпочтительно использовать период окисления 5 часов при результате, не превышающем 6,0 мгм/100 мл по ASTM D 873.

В то же время использование 16-часового периода с тем же или лучшим результатом желательно для обеспечения стабильности в течение длительных периодов и при более жестких условиях, например при хранении в тропическом климате.

В соответствии с настоящим изобретением можно использовать антиоксиданты указанных выше типов для предупреждения смолообразования в топливе во время хранения. Эффективность данного ингибитора определяют по кажущейся стабильности к окислению топлива, не полностью подтвердившего пригодность для использования в двигателях, работающих на авиационном бензине. Было обнаружено, что ингибиторы окисления вносят свой вклад в избыточное отложение осадков в системе, поэтому их пригодность для использования должна быть безусловно проверена на полномасштабных авиационных двигателях.

Неограничивающие примеры ингибиторов и их максимально допустимые количества указаны в ASTM D 910.

Низкокипящие ароматические вещества, которые являются обычными компонентами авиационных бензинов, оказывают действие на эластомеры в значительно большей степени, чем другие компоненты авиационного бензина. Поэтому предпочтительно, как в случае с другими топливами, ограничивать содержание ароматических компонентов. К счастью, бензол сразу исключается, как имеющий максимальную точку замерзания -72°F (-58°C), в то время как присутствие других ароматических веществ ограничено минимальной теплотворной способностью и максимальной конечной температурой дистилляции. Так, теплотворная способность ограничивает содержание толуола примерно до 24%. Ксилены имеют несколько большую величину теплотворной способности и, следовательно, допускают более высокое содержание ароматических компонентов, однако температура их кипения (более 280° или 138°С) ограничивает возможность их включения при содержании, большем 10%. Тем не менее, на практике все еще предпочитают ограничивать содержание ароматических веществ до величины, меньшей 25 об.%, 20% или еще меньше, что более предпочтительно.

Пример 148

Авиационные бензины, соответствующие вышеприведенным примерам и удовлетворяющие ASTM D 910, и улучшающее горение количество диметилкарбоната и циклический трикарбонил марганца в концентрации примерно от 0,0026 до 0,033 г Mn/л (от 0,01 до 0,125 г Mn/гал).

Пример 149

Сочетание авиационного бензина, удовлетворяющего ASTM D 910, при использовании в авиационном бензиновом двигателе с искровым зажиганием, при этом указанное сочетание отличается тем, что топливо содержит улучшающее горение количество диметилкарбоната и по меньшей мере одно соединение циклического трикарбонила марганца в концентрации от 0,0026 до 0,26 г Mn/л ( от 0,001 до 1,00 г Mn/гал), при этом сжигание полученного топлива приводит к улучшению теплового кпд двигателя на 2% или больше.

ЖИДКИЕ ТОПЛИВА

В изобретении предложено использование широкого спектра жидких топлив в качестве сопутствующих топлив и в качестве основных топлив, включая горючие топлива, жидкие топлива, печные топлива, нефть и нефтяные масла и жидкие топлива, удовлетворяющие ASTM D 396, и/или топлива, предназначенные для использования в устройствах для сжигания жидкого топлива различных типов при различных климатических и рабочих условиях. Неограничивающие примеры включают сорта 1-5 по ASTM.

Рекомендуемые применения систем сгорания с использованием предложенных в изобретении жидких топлив включает системы с прямым и косвенным переносом, включая нагреватели, пароперегреватели, бойлеры, испарители, реформеры, сушилки, печи, муфели и подогреватели, печи для прокаливания, теплообменники.

В зависимости от способа их получения жидкие топлива подразделяются на 2 широких класса - дистилляты и нефтяные остатки. Дистилляты состоят из верхних погонов или фракций дистиллята. Остатки представляют собой нижние фракции, остающиеся при дистилляции, или смеси этих нижних фракций с дистиллятами. В данном описании сорта 1 и 2 представляют собой дистилляты, а сорта 4-6 - обычно остатки, хотя некоторые тяжелые дистилляты также могут продаваться в качестве сорта 4.

Сорт 1 представляет собой легкий дистиллят, предназначенный для использования в горелках испарительного типа, в которых топливо переходит в пар при контакте с нагретой поверхностью или при излучении. Необходима высокая летучесть для обеспечения процесса испарения при минимальном образовании остатка.

Сорт 2 представляет собой более тяжелый дистиллят, чем сорт 1. Он предназначен для использования в горелках атомизирующего типа, в которых топливо распыляется в камеру сгорания, в которой происходит горение крошечных капелек топлива, находящихся в диспергированном виде. Этот сорт топлива используют в большинстве бытовых горелок и во многих промышленных горелках средней мощности, где легкость обращения и доступность часто оправдывает их более высокую стоимость по сравнению с остаточными топливами.

Сорт 4 (легкий) представляет собой тяжелый дистиллят или смесь дистиллята с остаточным топливом, удовлетворяющую стандартной вязкости. Оно предназначено для использования как в промышленных горелках с использованием атомизации под давлением, в которых не требуется использование более дорогих дистиллятов, так и в горелках, снабженных соответствующими средствами для атомизации топлив с более высокой вязкостью. Допустимый уровеньих вязкости позволяет их перекачивать и атомизировать при относительно низких температурах хранения.

Сорт 4 обычно представляет собой смесь тяжелого дистиллята и остаточного топлива и может быть тяжелым дистиллятным топливом, удловлетворяющим стандартной вязкости. Оно предназначено для использования в горелках, снабженных соответствующими средствами для атомизации топлив с более высокой вязкостью, чем допустимо в бытовых горелках. Допустимый уровень их вязкости позволяетих перекачивать и атомизировать при относительно низких температурах хранения. Так, при использовании во всех температурных условиях, кроме очень холодной погоды, оно не требует предварительного подогрева.

Сорт 5 (легкий) представляет собой остаточное топливо промежуточной вязкости для горелок, в которых допустимо использование более вязкого топлива, чем сорт 4 без предварительного подогрева. Предварительный подогрев может быть необходим для некоторых типов устройств сжигания и для более холодного климата.

Сорт 5 (тяжелый) представляет собой остаточное топливо, более вязкое, чем сорт 5 (легкий) и предназначено для использования в аналогичных целях. Предварительный подогрев может быть необходим для некоторых типов устройств сжигания и для более холодного климата.

Сорт 6, иногда называемый бункерным С, представляет собой высоковязкое топливо, используемое главным образом для нагрева в промышленности. Оно требует предварительного подогрева в резервуаре для хранения с тем, чтобы обеспечить перекачку, и дополнительного подогрева в горелке для того, чтобы обеспечить атомизацию. Дополнительное оборудование и особое обращение с этим топливом обычно ограничивает его использование в небольших установках.

В изобретении рассмотрен широкий спектр жидких топлив с различным содержанием серы. Показано, что предложенные в изобретении жидкие топлива удовлетворяют минимальным стандартам по содержанию серы. В любом случае предпочтительны топлива с низким содержанием серы, в особенности, содержащие 0,5 мас.% серы или меньше. Для сорта 1 можно использовать метод испытаний ASTM D 1266, однако только для образцов, имеющих содержание серы 0,4 мас.% или меньше (до 0,01%). Заявитель считает, что предпочтительное более низкое содержание серы является часто непрактичным, но оно тем не менее остается предпочтительным. Очевидно, приемлемы более высокие содержания серы, в особенности, поскольку коррозия и другие нежелательные эффекты, вызываемые серой, в значительной степени смягчены благодаря повышенной скорости сгорания и пониженной температуре горения в соответствии с настоящим изобретением.

ПРИМЕЧАНИЯ:^А Приведенная классификация не означает, что топливо, не соответствующее требованиям данного сорта, автоматически можно отнести к более низкому сорту. Для этого оно должно действительно соответствовать указанным характеристикам. Однако, по согласованию между покупателем, продавцом и производителем, в спецификацию могут быть внесены изменения отдельных ограничительных требований для того, чтобы продукт удовлетворял специальным рабочим условиям.

^Б Указанные методы испытаний являются апробированными поверочными испытаниями. Другие приемлемые методы указаны в разделах 2 и 5,1.

^В Количество воды по методу дистилляции ASTM D95 плюс осадок по ASTM D 473 не должны превышать значение, указанное в таблице. Для сорта No.6 осадок не должен превышать 0,5%, следовательно, общее количество воды и осадка не должно превышать 1,0%.

^Г Если требуется топливо с низким содержанием серы, по согласованию между покупателем и продавцом может быть поставлено топливо, попадающее в интервал вязкости более низкосортного топлива. При этом следует указать реальный интервал вязкости заранее, для того чтобы пользователь успел сделать соответствующие приготовления.

^Д Пределы содержания серы могут быть другими в некоторых регионах США, других стран.

^Е Указанные пределы соответствуют минимальной теплотворной способности и предупреждают неправильное применение сорта 2.

^Ж При необходимости могут быть более низкие или высокие температуры текучести в соответствии с условиями хранения или применения. Если требуется температура текучести ниже -18°С, минимальная вязкость при 40°С сорта 2 должна составлять 1,7 мм²/с, а минимальную температуру Т-90 можно опустить.

^З Если требуется топливо с низким содержанием серы, сорт 6 можно подразделить на сорт с низкой текучестью (+15°С макс.) или с высокой текучестью (макс. отсутствует). Сорт с низкой текучестью можно использовать только при обогреве резервуаров и трубопроводов.

Топлива, предложенные в изобретении, различаются также по вязкости. Предпочтительная минимальная кинетическая вязкость составляет 1,3; 1,9; 1,9; и менее чем 5,5 мм/с при 40°С для сортов 1, 2, 4 (легкий), 4 соответственно. Предпочтительная максимальная вязкость составляет 2,1; 3,4; 5,5; 24, 0 соответственно. Пределы вязкости сортов 1 и 2 подобраны таким образом, чтобы поддержать однородный поток топлива и предупредить разделение по плотности для того, чтобы обеспечить удовлетворительную атомизацию и постоянную скорость потока через небольшие отверстия сопел в бытовых горелках.

Аналогично предпочтительная минимальная кинематическая вязкость составляет 5,0; 9,0; 15,0 мм²/с при 100°С для сортов 5 (легкий), 5 (тяжелый) и 6 соответственно. Их предпочтительная максимальная вязкость составляет 8,9; 14,9; 50,0 соответственно. Для более тяжелых сортов промышленных и бункерных жидких топлив вязкость очень важна, поскольку необходимы соответствующие устройства предварительного подогрева для того, чтобы обеспечить перекачку топлива к горелкам и хорошую атомизацию. Тем не менее, в равной степени важно, чтобы максимальная вязкость в существующих условиях позволяла бы достаточно удовлетворительно перекачивать топливоиз резервуара для хранения в подогреватель.

В соответствии с настоящим изобретением жидкие топлива представляют собой однородные углеводородные топлива, не содержащие неорганических кислот и не содержащие избыточных количеств твердых или волокнистых посторонних примесей.

Полученные жидкие топлива различных сортов, указанных выше, обычно соответствуют данным, приведенным в таблице 10. Однако рассматривается также возможность введения добавок, улучшающих горение.

В соответствии с настоящим изобретением минимальная температура вспышки для сортов 1, 2, 4 (легкий), 4, 5 (легкий), 5 (тяжелый) и 6 предпочтительно составляет 38°С, 38°С, 38°С, 55°С, 55°С, 55°С, 60°С соответственно. Однако допустимы также более низкие температуры вспышки.

Жидкие топлива, предложенные в настоящем изобретении, характеризуются температурой текучести, аналогичной другим тяжелым топливам. Предпочтительные температуры текучести для сортов 1, 2, 4 (легкий) и 4 составляют не более -18°С, -6°С, -6°С, -6°С соответственно.

Предпочтительно, если предлагаемые жидкие топлива не содержат по возможности воды и осадков во избежание возникновения проблем, связанных с конструкцией горелок, закупоркой трубопровода и коррозией. Предложенные топлива для газовых турбин помогают решить аналогичные проблемы, которые возникают при хранении жидких топлив и/или обращении с ними.

Предпочтительно углеродный остаток в предлагаемых топливах по методу ASTM D 524 не превышает 0,15 мас.% для сорта 1; 0,35 мас.% для сорта 2, для того чтобы избежать проблем, связанных с образованием осадков в камерах сгорания испарительного типа, например, в камерах сгорания чашеобразного и рукавообразного типа, в которых топливо испаряется в атмосфере недостатка воздуха.

Предпочтительно максимальное содержание золы по ASTM D 482 не превышает 0,05; 0,10; 0,15% для сорта 4 (легкого), 4, 5 (легкого), 5 (тяжелого) соответственно, для снижения износа насосов, клапанов и отложения осадков на нагревательной поверхности бойлера. Предложенные в изобретении более низкие температуры горения до некоторой степени помогают снизить образование золы.

Одним из примеров реализации настоящего изобретения является модификация точки кипения жидких топлив. Специально показано, что температура Т-90 может быть понижена при необходимости, однако не ниже минимальной температуры, соответствующей стандарту. Например, температура Т-90 может быть понижена на 20°С ниже максимальной температуры по ASTM. Предпочтительно также понижение на 50°С, поскольку, как в случае с сортом 2 жидкого топлива, температура Т-90 не понижается ниже 282°С. Обычно отсутствует ограничение на снижение температур Т-10 или Т-50, а также Т-90 (за исключением топлив сорта 2), поскольку топливо легко испаряется и работает с большей эффективностью, в особенности в горелках испарительного типа.

Минимальная граница температуры Т-90 для сорта 2 печного топлива предназначена для того, чтобы поддержать совместимость с горелками коммунально-бытовых печей атомизационного типа. С другой стороны, пределы дистилляции не указываются для жидких топлив сортов 4, 5 и 6, и температуры Т-90 могут быть понижены в разумной степени для улучшения горения и/или уменьшения выделения загрязняющих веществ.

Пример 150

Жидкое топливо сорта 2, имеющее кинетическую скорость не менее 1,9 и не более 3,4 мм/с при 40° С, минимальную температуру Т-90 282°С, максимальную температуру Т-90 338°С, максимальное содержание серы 0,05 мас.%, максимальное число 3 по тесту Copper Strip и улучшающее горение количество соединений УГС.

Пример 151

Жидкое топливо сорта 6, имеющее кинетическую скорость не менее 15,0 и не более 50,0 мм³/с при 100°С по ASTM D 445 и улучшающее горение количество соединений УГС.

Пример 152

Примеры 150-151, в которых конечная температура кипения и/или темепература Т90 понижены по меньшей мере на 30°С посредством модификации температуры кипения.

Пример 153

Примеры 150-152, в которых добавлены соединения УГС, предпочтительно диметилкарбонат в концентрации от 0,01 до 30 мас.% кислорода от массы топлива.

Пример 154

Примеры 150-151, в которых топливо содержит улучшающее горение количество СМТ.

Пример 155

Примеры 151-153, в которых средняя латентная теплота испарения топлива по меньшей мере на 0,5 - 1,5% выше, чем перед модификацией точки кипения и/или добавления соединений УГС.

Следует отметить, что для некоторых устройств сжигания существуют определенные нормы выброса оксида азота как функция от содержания азота в топливе. Для соблюдения этих норм дистиллятные топлива, остаточные топлива с низким содержанием азота и остаточные топлива с высоким содержанием азота оцениваются на содержание азота. При эксплуатации установок необходимо соблюдение различных стандартов по выбросам в соответствии с классификацией используемых топлив. Если нормы требуют соблюдения таких отличий, указание содержания азота в топливе необходимо в контракте, подписываемом покупателем и поставщиком.

В соответствии с настоящим изобретением по указанным выше причинам выделение NO_x может быть существенно понижено на величину 1,0%; 2,0%; 5,0%; 8,0%; 10,0% (и часто больше) при отсутствии существенной модификации топлива. Это представляет собой значительное преимущество в практике использования жидких топлив.

Предлагаемые в настоящем изобретении жидкие топлива имеют кпд горения, в % от количества углерода в топливе, перешедшего в СО₂, существенно более высокий, чем для нерегулируемых топлив. Например, ожидаемое повышение кпд горения составляет от 1% до 15% при обычной величине, составляющей от 2 до 10%.

Вследствие химической природы предложенных жидких топлив, предпочтительно, чтобы используемые горелки характеризовались соответствующим временем пребывания или скоростью выделения тепла. Предпочтительные горелки включают горелки с высоким кпд, имеющим завершенную оболочку пламени, с высокой скоростью высвобождения тепла, составляющей 89·10⁶ ккал/(м³·ч) (10000 000 БТЕ/фут³ в час).

Показано, что горелки имеют приемлемое вихревое число, которое представляет собой качественную характеристику турбулентности. Альтернативно приемлемым средством измерения турбулентности является значительный перепад давления воздуха, поступающего от смотрового отверстия к печи через горелку.

Так, в соответствии с настоящим изобретением предпочтительный перепад давления в горелке составляет от 10 до 30 дюймов вод. ст. Приемлемы также более высокие перепады давления.

Как уже было отмечено, в настоящем изобретении предпочтительно проведение атомизации.

Пример 156

Горелка с высоким кпд, имеющая коэффициент уменьшения 3:1 или выше, содержащая средства атомизации топлива, которые могут быть механическими, представлять собой пар или сжатый воздух, и в которой атомизация происходит под давлением до 6200 кПа (900 фунт/дюйм²) (приемлемы также более низкие давления).

Пример 157

Горелка с высоким кпд из примера 156, имеющая завешенную оболочку пламени, скорость выделения тепла в которой составляет 89·10⁶ ккал/(м³·ч) (10000 000 БТЕ/фут³ в час).

Пример 158

Пример 156-157, в котором горелка представляет собой высоковихревую горелку, рассчитанную не более чем на 50%-ный избыток воздуха.

Пример 159

Пример 156-157, в котором горелка представляет собой низковихревую горелку, рассчитанную на большой избыток воздуха.

Пример 160

Горелка из примеров 156-159, имеющая перепад давления в интервале от 254 до 762 мм вод.ст. (от 10 до 30 дюймов вод.ст.) или больше.

Пример 161

Примеры 156-159, в которых горение протекает таким образом, что вторичный воздух смешивается с продуктами горения после полного завершения формирования оболочки пламени.

Пример 162

Способ работы печи, содержащей топливо сорта 6 на основе соединений УГС, включая вышеуказанные примеры 156-159, в которых результирующие частицы несгоревшего углерода составляют 0,1 фунт/10 БТЕ или менее.

Пример 163

Способ работы горелки из примеров 159-162 в печи с использованием жидкого топлива сорта ASTM, содержащего улучшающее горение количество диметилкарбоната и улучшающий горение металл, при увеличении ожидаемого кпд горения в печи по меньшей мере на 1-20%.

Следует отметить, что в изобретении предложено также сжигание угля в псевдоожиженном слое. Например, для камер сгорания, работающих с использованием угля размером -10 меш, наблюдали аналогичное снижение выделения вредных веществ и улучшенные коэффициенты горения.

Аналогично настоящее изобретение имеет большое значение при использовании тяжелых дизельных топлив, цилиндровых топлив и топлив для судовых двигателей. Установлено, например, что предложенные цилиндровые топлива и топлива для судовых двигателей соответствуют стандартам ISO DIS 8217 и BS MA 100. Поскольку содержание серы в цилиндровых топливах и в топливах для судовых двигателей часто выше, чем в большинстве топлив, настоящее изобретение, позволяющее понизить температуру горения, что смягчает проблему коррозии и выделения вредных веществ, представляя тем самым особый интерес.

Пример 164

Способ работы с использованием тяжелого дизельного топлива, топлива для локомотивов или судовых двигателей, включающий смешение топлива, соответствующего стандартам ISO DIS 8217 и BS MA 100, содержащего серу в концентрации от 0,01 до 3,0 мас.% (приемлемы также количества менее 0,05 мас.%), имеющего вязкость 10-500 сантистокс при 50°С и содержащего дополнительно топливо УГС, в результате чего горение полученного топлива в указанных двигателях, работающих на тяжелом дизельном топливе, топливе для локомотивов и судовых двигателей, происходит при пониженной коррозии и улучшенном горении топлива по меньшей мере на 1% и более.

Пример 164А

Способ 164, в котором работа тяжелого дизельного, локомотивного или судового двигателя происходит в условиях от умеренных до тяжелонагруженных, в результате чего использование топлива улучшается по меньшей мере на величину от 0,5 до 5% или больше, по сравнению с топливом без содержания УГС.

Пример 165

Топливная композиция примера 164, которая дополнительно содержит беззольный диспергатор, выбранныйиз группы, включающей эфиры алкенилсукциновой кислоты, алкенилсукцинимидамин, метиламин, 2-этилгексиламин, н-додециламин и другие (см. US 3172892, 3202678, 3219666, 4234435).

Пример 166

Вышеуказанные топливные композиции, содержащие антиоксидант.

Пример 167

Топливные композиции примеров 164-165, в которых топливо УГС содержит диметилкарбонат в количестве от 0,01 до примерно 30% об. и улучшающее горение количество СМТ.

Пример 168

Способ улучшения теплового кпд при работе локомотивного или судового двигателя, включающий инжекцию тяжелой топливной композиции на основе УГС в камеру сгорания, при этом горение происходит при повышенной более эффективной скорости и пониженных температурах горения, в результате чего тепловой кпд повышается по меньшей мере на 5%.

ПРИМЕНЕНИЕ ТОПЛИВА В РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

Особенно интересной областью применения настоящего изобретения является его использование в ракетных двигателях. Указанная область применения, в которой топливная энергия переходит в подходящую форму и приводит к переходу материи в движущую силу, представляет особый интерес, в частности, благодаря тому, что при этом достигаются пониженные температуры горения и возможности сверхзвукового движения.

Задача использования предлагаемого топлива в качестве ракетного заключается в том, чтобы создать большой импульс движущей силы, достичь высокой тяги/мощности при пониженных температурах горения, что представляет собой значительный шаг вперед по сравнению с известными техническими решениями. Решение такой задачи позволит увеличить срок службы двигателя, использовать камеры сгорания меньшего размера, более легкой конструкции (при отсутствии необходимости в специальных охлаждающих приспособлениях и т. п.).

Так, одним из вариантов реализации настоящего изобретения является жидкое ракетное топливо, позволяющее создать такой же по существу импульс и реактивную тягу при минимальной массе и сохранении надежности.

Особенно интересной задачей настоящего изобретения является достижение таких же характеристик энергии и движущей силы, которые ранее достигались только при использовании сжатых жидкостей, а именно водорода и кислорода. Настоящее изобретение позволяет достигать аналогичных результатов при использовании жидких топлив или смешанных топлив, при отсутствии необходимости в специальных условиях хранения, криогенных температур, сжижения, особого обращения и т. п.

В изобретении предложен широкий спектр ракетных систем. Так, предложены жидкие, газообразные, твердые ракетные топлива, их смеси, гиперголи и негиперголи.

Неограничивающие примеры ракетных топлив включают топлива на двойной основе или коллоидные, кардит или экструдированное топливо на двойной основе, композиты, прессованные топлива, пластики, ракетные топлива с полимерными связующими, топлива на двойной основе, модифицированные композитами, молекулярные топлива и другие.

В настоящем изобретении предложена система с полимерным связующим, которое служит для связывания ракетного топлива, большая часть которого представляет собой кристаллический окислитель и которая при необходимости содержит металлическую добавку для повышения удельного импульса и плотности. В изобретении предложены двухосновные композиты, в которых нитроглицерин и нитроцеллюлоза используются в качестве связующего, с неорганическим связующим и металлосодержащими добавками. Применение обычных полимеров, неметаллических и металлосодержащих твердых ракетных топлив известно.

В соответствии с настоящим изобретением в твердых ракетных топливах могут быть использованы твердые соединения УГС и/или смешанные системы жидкость/твердое.

Предложенные в изобретении системы ракетных двигателей включают ракетные и турборакетные системы. Рассматриваются также прямоточные воздушно-реактивные двигатели и ракетные двигатели с воздушным форсажем.

Предложенные жидкие ракетные топлива включают двухкомпонентные топлива (топливо и окислитель), однокомпонентные ракетные топлива, газообразные топлива и смешанные топлива. Примеры двигателей, работающих на жидком ракетном топливе, предложенном в настоящем изобретении, включает такие системы, разработанные НАСА, как обитаемые и необитаемые системы Сатурн, Атлас и Титан. В настоящем изобретении предложено топливо для ракет, включая космические двигатели, ракетные ускорители, ракеты земля - воздух, баллистические ракеты, противовоздушные ракеты, взлетные системы с реактивными ускорителями, системы катапультирующего ускорения, воздушные силовые установки, системы регулирования положения летательного аппарата относительно земных осей, двигатели межпланетного ускорения, ракеты, запускаемые с подводных лодок и антибаллистические системы.

Тяговые двигатели ракетных систем в соответствии с изобретением включают ракетные и турборакетные системы. Рассматриваются также прямоточные воздушно-реактивные двигатели, двигатели быстрого включения и ракеты с расширением воздуха.

Пример 169

Ракетный двигатель, работающий на жидком двухкомпонентном и однокомпонентном топливе, с подачей под давлением, в системах с низкой или высокой реактивной тягой, предназначенных для регулирования положения летательного аппарата относительно земных осей или его маневрирования, с использованием эффективного импульсного двигателя и ракетного топлива.

Пример 170

Пример 169, в котором импульсная работа характеризуется высокой эффективностью в течение коротких промежутков времени 0,02 с или менее.

Пример 171

Пример 169-170, в которых система импульсной модуляции может быть запущена по меньшей мере тысячу раз или более в течение полетного времени.

Пример 172

Пример 169, в котором импульсный двигатель имеет реактивную тягу 27 Н·м (20 фунтов), при использовании абляционной движущей камеры, позволяющей осуществлять по меньшей мере 2000 запусков при общей длительности импульсной работы по меньшей мере 600 с и минимальном периоде вылета 1 неделя.

Пример 173

Пример 169, в котором двигатель представляет собой аэро-spike двигатель.

Одной из задач, решаемых в настоящем изобретении, является понижение температуры горения, что при обычном использовании жидкого ракетного топлива позволяет достичь температуры от 2204 до 3871°С (от 4000 до 7000°F).

Существенное понижение температуры горения позволяет улучшить конструкцию и создать возможность повышения движущей силы при использовании металлов, улучшающих реактивную тягу, таких как бор, литий, марганец, алюминий, бериллий, триметилалюминий, диметилбериллий и др.

Приемлемые окислители включают жидкий кислород, азотную кислоту, смеси азотной и серной кислот, фтор, трифторид хлора, перхлорилфторид, нитрозилфторид, нитрилфторид, трифторид азота, дифтормоноксид, фтораты, оксиды хлора, тетраоксид азота, пероксид водорода, перхлорат калия, перхлорилфторид, пентафторид брома, трифторид хлора, ON 7030, озон, дифторид кислорода, RFNA (в различных концентрациях), WFNA, тетранитрометан и другие.

В соответствии с настоящим изобретением соединения УГС можно использовать в сочетании в виде смеси и/или в комбинации с ракетными топливами. Неограничивающие примеры рассматриваемых ракетных и базовых компонентов топлив включают ацетилен, борогидрид алюминия, аммиак, анилин, бензол, бутилмеркаптан, диборан, диметиламин, диэтилентриамин, дициан, этан, этанол, этиламин, этилен, этилендиамин, этиленоксид, этилендиамин, этилнитрат, диметилсульфид, фурфуриловый спирт, бензин, гептен, гидразин (включая замещенные гидразины), водород, изоэтилнитрат, изопропиловый спирт, JP-3, JP-4, керосин, литий, гидрид лития, метан, метилаль, метанол, метилнитрат, метиламин, метилацетилен, метилвинилацетилен, моноэтиланилин, нитрометан, нитропропан, нитроглицерин, н-октан, пропан, пропиленоксид, н-пропилнитрат, о-толуидин, триэтиламин, триметиламин, триметилтритиофосфит, терпентин, несимметричный диметилгидразин, ксилидин, 2,3-ксилидин, борогидрид лития, монометилгидразин, пентаборан и другие. Рассматриваются также металлосодержащие ракетные топлива, включая триметилалюминий и диметилбериллий.

Пример 173А

Способ работы ракеты с использованием топлив УГС (например, соединений УГС и соединений металла) и, при необходимости, по меньшей мере одного окислителя и/или ракетного компонента топлива, включающий сжигание топлива в двигателе, в результате чего температуры в двигателе понижены на 55,6°С - 556°С (на 100°F - 1000°F), так что при этом реактивная тяга повышается и/или масса двигателя может быть понижена.

Пример 173Б

Способ 173А, в котором регулируют температуры стенок камеры сгорания, которые в результате не превышают 704-1093°С (1300-2000°F).

Пример 174

Ракетные топлива, содержащие диметилкарбонат и, при необходимости, окислитель (включая указанные выше, предпочтительно азотную кислоту и/или пероксид водорода) и металлосодержащие соединения.

Пример 175

Пример 174, в котором ракетное топливо содержит компонент ракетного топлива, выбранный из указанной выше группы.

Пример 176

Пример 174, в котором окислитель представляет собой гидразин.

Пример 177

Способ использования ракетного топлива из примеров 169-172, в котором повышена удельная реактивная тяга при отсутствии повышения температур горения.

Одним из примеров реализации настоящего изобретения являются однокомпонентные ракетные топлива, в частности, на основе пероксида водорода или гидразина совместно с указанными выше металлосодержащими соединениями, так что температуры стенок камеры сгорания не превышают 704-1093°С (1300-2000°F) соответственно. Аналогичные температуры стенок можно ожидать при использовании в качестве однокомпонентного топлива диметилкарбоната и/или многокомпонентного ракетного топлива (один из которых включает диметилкарбонат) и/или одного окислителя или нескольких окислителей.

Еще одним примером реализации настоящего изобретения является улучшение конструкции ракетного двигателя для уменьшения общей массы вследствие использования предложенных в изобретении способов регулирования температуры горения, так что при этом может быть использовано повышенное количество высокотемпературных металлосодержащих и/или других ракетных топлив. Это неожиданно позволяет повысить удельный импульс или реактивную тягу при отсутствии дополнительных затрат на массу.

Пример 178

Способ повышения удельной реактивной тяги ракетного двигателя при отсутствии повышения температур горения, включающий подачу топливной композиции состава, указанного в примерах 173А-177, в систему камеры сгорания ракетного двигателя, где происходит горение со взрывом, так что путем поддержания в камере сгорания давления 3447 кПа (500 фунтов/кв.дюйм), удельная тяговая сила, полученная в результате этого горения, составляет более 200 I_SP с (более предпочтительно выше 250 I_SP с).

Пример 179

Способ примера 178, в котором топливо инжектируют в камеру сгорания ракетного двигателя с использованием инжектора, выбранного из группы, включающей инжекторы столкновения топлива с окислителем, инжекторы с предварительным смешением, "встроенные" клапанные инжекторы различных типов, при этом сопло инжектора выбирают из группы, включающей короткую трубку с округлым входом, с коническим входом, конус с заостренными краями и отверстие с заостренными краями.

Улучшение реактивной тяги или удельного импульса составляет 3-15% по сравнению с существующими системами. Минимальное улучшение может составлять 1-3% по сравнению с существующими системами и аналогичными топливами. Возможны значительные улучшения порядка 10-50%.

Пониженные температуры горения позволяют усовершенствовать регенерационные охлаждаемые движущие камеры, в которых используют одно из жидких топлив, циркулирующее в охлаждающей рубашке для поглощения тепла от стенок камеры сгорания.

Другие системы с охлаждаемыми стенками камеры сгорания, которые могут быть усовершенствованы с соответствующим уменьшениемих массы включают радиально охлаждаемые камеры, в которых ракетные двигатели выполнены из огнеупорного материала, абляционные ракетные двигатели, стенки которых выполненыиз специальных композитов, которые испаряются с низкой скоростью с формированием защитной оболочки. Другие двигатели включают турбовыхлопные с охлаждением газа, погружные с охлаждением, с защитным охлаждением, охлаждением выбросами, абляционным охлаждением, регенеративным охлаждением, пленочным охлаждением, охлаждением испарением и комбинированными методами.

Другим преимуществом настоящего изобретения является возможность повышения срока хранения ракетных топлив. Так, предложена надежная, недорогая упаковка жидкого ракетного топлива, пригодного к хранению.

Другим существенным преимуществом ракетных топлив, предложенных в изобретении, являетсяих низкая стоимость по сравнению со стоимостью существующих топлив. В соответствии с изобретением стоимость ракетного топлива может быть понижена на 50% от стоимости существующих ракетных топлив.

Следует отметить, что предпочтительный вариант использования УГС с использованием диметилкарбоната демонстрирует повышенную стойкость диметилкарбоната к хранению в присутствии кислорода, представляющего собой хороший окислитель, а также топливо.

Важной особенностью являются используемые концентрации марганца, которые составляют от 0,132 до 266 г Mn/л (от 0,5 до 1000 г Mn/гал) и выше в зависимости от обстоятельств. Концентрации гиперголей, как правило, превышают 6% от массы топлива. Максимальные концентрации определяются границами допустимого горения. Соединения циклического трикарбонила марганца, как показано, также обладают каталитическими свойствами, связанными с использованием пероксида водорода, особенно в гиперголях.

При использовании настоящего изобретения в ракетных топливах, в которых применяются окислительные системы от внешнего источника зажигания, зажигание протекает более мягко, с уменьшенным временем запаздывания.

В настоящем изобретении предложено использование первичных ароматических аминов, таких как анилин, ксилидин, иихсмесей для снижения времени запаздывания при зажигании, в частности, при использовании азотной кислоты.

Желательным является использование соединений УГС (предпочтительно диметилкарбоната) в качестве ракетного топлива совместно с окислителем и/или металлосодержащим соединением. Рассмотрена возможность использования дополнительных компонентов топлив.

Следует отметить, что диметилкарбонат можно использовать в качестве однокомпонентного топлива, в особенности, при применении воздушного форсажа. Показано, что диметилкарбонат можно использовать в отдельности в качестве топлива, требующего введения окислителя или альтернативно в качестве окислителя к топливу. В последнем случае может потребоваться использование дополнительного окислителя или форсажа воздухом.

Тем не менее, одним из вариантов реализации настоящего изобретения является использование диметилкарбоната с металлосодержащим соединением в качестве основного компонента ракетного топлива.

Пример 180

Реактивное ракетное топливо, содержащее соединение УГС, выбранное из группы, включающей диметилкарбонат, ацетилен, борогидрид алюминия, аммиак, анилин, бензол, бутилмеркаптан, диборан, диэтилентриамин, этан, этанол, этиламин, этилен, этилендиамин, этиленоксид, этилнитрат, фурфуриловый спирт, бензин, гептен, гидразин (включая замещенные гидразины), водород, изопропиловый спирт, литий, гидрид лития, метан, метилаль, метанол, метиламин, нитрометан, нитропропан, н-октан, пропан, н-пропилнитрат, о-толуидин, триэтиламин, триметилтритиофосфит, тертенпертин, несимметричный диметилгидразин, 2,3-ксилиден, борогидрид лития, монометилгидразин, пентаборан иих смеси и улучшающее реактивную тягу количество металлосодержащих соединений.

Пример 181

Пример 180, в котором композиция дополнительно содержит известный окислитель, выбранный из группы, включающей сжиженный кислород, азотную кислоту, смесь азотной кислоты и серной кислоты, фтор, тетроксид азота, пероксид водорода, перхлорат калия, перхлорилфторид, пентафторид брома, трифторид хлора, ON 7030, озон, дифторид кислорода, RFNA, WNFA, тетранитрометан, фтор, трифторид хлора, перхлорилфторид, нитросилфторид, нитрилфторид, трифторид азота, дифтормоноксид, фторат, оксиды хлора и др.

Пример 182

Ракетное топливо, содержащее пероксид водорода и соединения металла, например, соединение трикарбонила циклопентадиенила марганцаи, при необходимости, диметилкарбонат.

Пример 183

Ракетное топливо, содержащее пероксид водорода, окислитель и соединение металла и, при необходимости, диметилкарбонат.

Пример 184

Ракетное топливо из примера 183, в котором соединение металла выбрано из группы, включающей трикарбонил циклопентадиенил марганца, технеций, рений, алюминий, бериллий или соединения бора, включая пентаборан, декаборан, боразол, борогидрид алюминия, триметилалюминий, борогидрид бериллия, диметилберил-лий, борогидрид лития,их гомологи и смеси.

Пример 185

Пример 183, в котором окислитель выбран из группы, включающей сжиженный кислород, азотную кислоту, смесь азотной кислоты и серной кислоты, фтор, тетроксид азота, пероксид водорода, перхлорат калия, перхлорилфторид, пентафторид брома, трифторид хлора, ON 7030, озон, дифторид кислорода, RFNA, WNFA, тетранитрометан,и их смеси.

Пример 186

Ракетное топливо, содержащее диметилкарбонат, гидразин и соединения трикарбонила циклопентадиенила марганца.

Пример 187

Ракетное топливо, содержащее диметилкарбонат и окислитель, выбранный из группы, включающей азотную или серную кислоты, при содержании или отсутствии соединений металла.

Пример 188

Ракетное топливо, содержащее диметилкарбонат, гидразин или замещенный гидразин и/или пероксид водорода и/или соединения металла.

Пример 189

Ракетное топливо, содержащее диметилкарбонат, гидразин и керосин и, при необходимости, соединения металла.

Пример 190

Ракетное топливо, содержащее диметилкарбонат, водород, соединения металла и, при необходимости, окислитель.

Пример 191

Ракетное топливо, содержащее диметилкарбонат, салициловый альдегид и соединения металла.

Пример 192

Ракетное топливо для воздушных систем, включающее диметилкарбонат, соединения металла и, при необходимости, базовый компонент ракетного топлива и, при необходимости, окислитель.

Пример 193

Пример 192, в котором неограничивающие примеры ракетного базового компонента топлива включают водород, гидразин и керосин.

Пример 194

Ракетное топливо, включающее пероксид водорода, трикарбонил циклопентадиенил марганца и компонент ракетного топлива, выбранный из группы, включающей диметилкарбонат, ацетилен, борогидрид алюминия, аммиак, анилин, бензол, бутилмеркаптан, диборан, диэтилентриамин, этан, этанол, этиламин, этилен, этилендиамин, этиленоксид, этилнитрат, фурфуриловый спирт, бензин, гептен, гидразин (включая замещенные гидразины), водород, изопропиловый спирт, литий, гидрид лития, метан, метилаль, метанол, метиламин, нитрометан, нитропропан, н-октан, пропан, н-пропилнитрат, о-толуидин, триэтиламин, триметилтритиофосфит, тертенпертин, несимметричный диметилгидразин, 2,3-ксилиден, борогидрид лития, монометилгидразин, пентаборан и их смеси и улучшающее тяговую силу количество соединений циклического трикарбонила марганца.

Для специалиста понятно, что возможны различные варианты и модификации настоящего изобретения без отступления от духа и сущности настоящего изобретения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент США 2818417.

2. Патент США 2839552.

3. Патент США 3127351.

4. Патент США 3927992.

5. Патент США 4240802.

6. Патент США 4207078.

7. Патент США 4240801.

8. Патент США 3585012.

9. Патент США 3442631.

10. Патент США 3718444.

11. Патент США 4240802.

12. Европейский патент ЕР 0235280.

13. Патент США 3556846.

14. Патент США 3442631.

15. Патент США 3526545.

16. Патент США 3506488.

17. Williamson, Gandhi, Weaver "Effects of Fuel Additive MMT on Contaminatant Retention and Catalyst Performance", SAE Paper 821193, 1982.

18. Патент США Re. 29488.

19. Патент США 3950145.

20. Патент США 3948618.

21. Патент США 4028065.

22. Патент США 4052171.

23. Патент США 4141693.

24. Патент США 4191536.

25. Патент США 4317657.

26. Патент США 4175927.

27. Патент США 4082517.

28. Патент США 3958955.

29. Патент США 3926581.

30. Патент США 3926580.

31. Environmental Protection Agency RE Denial of Applications for MMT Waiver, Federal Register, V.43, No.181, September 18, 1978.

32. Ethyl Corporation, Denial of Application for Fuel Waiver; Summary of Decision, Federal Register, V.46, No.230, Dec.l, 1981,

33. Hurley, Hansen, Guttridge, Gandhi, Hammerle и Matso "The effect on Emissiions and Emission Component Durability by the Fuel Additive Methylcyclopentadienyl Manganese Tricarbonyl (MMT)", SAE Paper 912437, 1991.

34. Hurley et al., "Characterization of Automotive Catalysts Exposed to the Fuel Additive MMT", SAE Paper 890582, 1989.

35. Hubbard et al., "Effect of MMT on the OBD-II Catalyst Monitor", SAE Paper 932855, 1993.

36. Патент США 2331386.

37. Патент США 4891049.

38. Патент США 4904279.

39. Патент США 5004480.

40. Патент США 4600408.

41. Заявка на Европейский патент 91306278.2.

42. Патент США 3353938.

43. Патент США 3718444.

44. Патент США 4139349.

45. Патент США 2818416.

46. Патент США 3127351.

47. Патент США 2818417.

48. Патент США 2839552.

49. Патент США 2680.

50. Патент США 2804468.

51. Патент США 3341311.

52. Патент США 3272606.

53. Патент США 3718444.

54. Канадский патент 1073207.

55. Патент США 2818416.

56. Патент США 4262145.

57. Патент США 4175210.

58. Патент США 4252541.

59. Патент США 4270929.

60. Патент США 3482952.

61. Патент США 2384866.

62. Патент США 1488605.

63. Патент США 4256465.

64. Патент США 4267393.

65. Патент США 4330679.

66. Патент США 4299999.

67. Патент США 4302998.

68. Патент США 4310710.

69. Патент США 4324924.

70. Патент США 4329516.

71. Патент США 4336407.

72. Патент США 4320233.

73. Патент США 2874033.

74. Патент США 3912463.

75. Патент США 4297172.

76. Патент США 4334890.

77. Европейский патент ЕР 0235280.

78. CRC Handbook of Chemistry and Physics, Lide, 74th и более ранние издания, Ann Arbor, CRC Press.

79. Sigma-Aldrich Chemical Directory, Aldrich Chemical Company (1994).

80. Chemical Abstract Service (CAS), on line Registry File [I], American Chemical Society, Chemical Abstract Service, Ohio State University.

81. A Manual of Inorganic Chemistry, Thorpe, N.Y., Putnam & Son's (1896).

82. Inorganic Materials, 1 ed., Ducan, N.Y., J. Wiley & Son.

83. Handbook of Inorganic Compounds, Perry, Phillips, CRC Press, Boco Raton.

84. Inorganic Chemistry, Phillips, Williams, N.Y., Oxford University Press (1965-1966).

85. Inorganometallic Chemistry, Fehlner, N.Y., Plenum (1992).

86. Nontransition-Metal Compounds, Eisch, N.Y., Academic Press (1981).

87. Metal & Metalloid Amides, Horwood, N.Y., Halsted Press (1980).

88. Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 2nd и последующие издания, J.Wiley & Sons (1963).

89. Dictionary of Chemical Names & Synonyms, Howard, Neal, Lewis Publishers, Ann Arbor (1992).

90. Dictionary of Chemical Solubilities, Inorganic, Comey, MacMillan Press (1921).

91. Solubilities of Inorganic and Metal Organic Substances, Seidell, N.Y., Van No strand (1940-1941).

92. Solubility of Inorganic and Metal-Organic Compounds, Like, Princeton N.J., Van No strand (1958-1965).

93. Organo Metallic Chemistry, F.G.A. Stone, Academic Press (1972 и далее).

94. Organo Metallic Compounds, 2 Ed, Michael Dub, Springer-Verlag, New York Inc. (1966 Vol.1-3 и последующие тома и приложения).

95. Organometallic Compounds, Coates, Edward, New York, Wiley (1960).

96. Comprehensive Organometallic Chemistry II (A Review of the Literature 1982-1994), Abel, Stone, Wilkinson, Elsevier Science Ltd (1995).

97. Handbook of Organometallic Compounds, Hagihara, Kumanda, Okawara, W.A. Benjamin Inc (1968).

98. Organometallic Chemistry, Mehrotra, Singh, John Wiley & Sons (1991).

99. Organometallic Chemistry, Chemical Society, (1971 и все последующие публикации), London.

100. Metal Organic Compounds, American Chemical Society (c 1959 до настоящего времени).

101. Chemical Abstracts, American Chemical Society, Chemical Abstract Service, Ohio State University (c 1907 до настоящего времени).

102. Structure Reports, 1913 - 1973 (Metals and Inorganic Compounds), International Union of Crystallography, Bonn, Scheltens & Hellema (volumes 1-40).

103. The Merck Index, llth Ed., Budavari, O'Neil, Merck Research Laboratories, N.J. (1989).

Реферат

Изобретение относится к топливным композициям для реактивных, турбинных, дизельных и других систем сгорания, в частности оно относится к усовершенствованному сгоранию в паровой фазе металлов, неметаллов и их соединений, включая топливные композиции с добавками органических соединений марганца, к механическим и/или химическим средствам, способствующим улучшению сгорания и/или снижению температуры горения, посредством которых улучшается термическая эффективность и снижаются случайные потери. Задачей изобретения является введение значительных концентраций кислорода, который может быстро и агрессивно реагировать с металлом. Также задачей изобретения является создание такой диффузии газов предкамерного горения до/после зажигания, которая приводит к увеличению импульса/вязкости невоспламенившегося газа до значения, по возможности максимально близкого к значению вязкости воспламенившегося газа с тем, чтобы снизить сопротивление вязкости между воспламенившимся и невоспламенившимся газом. Поставленная задача решается тем, что топливная композиция содержит: 1) углеводородное базовое топливо; 2) по меньшей мере один не являющийся свинцом элемент или органическое или неорганическое соединение, содержащее указанный элемент, причем указанный элемент выбран из элементов групп 1А, 2А, 3А, 1В, 2В, 3В, 4В, 5В, 6В, 7В, 8, висмута, германия, фосфора, кремния, азота, серы и их смесей, при этом указанный элемент или его органическое или неорганическое соединение присутствует в горючей форме - соединение элемента, не являющегося свинцом - «СЭНЯС»; и 3) по меньшей мере одно соединение улучшающей горение структуры УГС, снижающее температуру горения и/или повышающее скорость горения и выбранное из группы, состоящей из: H₂, CO, соединения УГС, имеющего латентную теплоту испарения ЛТИ больше или равную 21 кДж/моль при его температуре кипения и скорость горения, измеренную по ламинарному пламени горелки Бунзена, не менее 40 см/с при метанольном показателе 57,2 см/с, причем указанное соединение выбрано из группы, состоящей из уксусной кислоты, ацетатов, ацетилов, спиртов, альдегидокислот, альдегидов, ангидридов, борных кислот, сложных эфиров угольной кислоты, карбоновых кислот, карбонатов, дикарбонатов, сложных эфиров, сложных диэфиров, простых эфиров, простых диэфиров, муравьиных кислот, гликолей, простых эфиров гликолей, оксикислот, кетонов, кетокислот, нитратов, алкилнитратов, нитрометана, нитроэтана, нитропропана, динитратов, аминов, анилинов, амидов, гидразинов, нитрозилов, имидов, простых нитроэфиров, метиламинов, ксилидина, 2,3-ксилидина, аммиака, ортоборатов, ортоэфиров, ортокислот, оксидов, оксалатов, щавелевых кислот, пероксидов, гидропероксидов и фенолов, причем указанное соединение, возможно, содержит по меньшей мере один заместитель, выбранный из алкил, алкилокси, диалкил, диалкилокси, арил, амид, ацетат, альдегид, карбоэтокси, карбометокси, карбонил, карбонилдиокси, карбокси, этоксалил, этокси, формил, гликолил, глиоксилил, гидроксил, имид, метокси или метилендиокси-радикала и их смесей; 4) где состав топлива подобран так, что получают составы, имеющие следующие максимальные температуры фракционной перегонки Т-90 (90%) или максимальные температуры конца кипения, соответственно: дизельное топливо, газотурбинное топливо или мазут с максимальной температурой фракционной перегонки Т-90, равной 338°С; или турбореактивное топливо с максимальной температурой конца кипения 300°С. 5 н. и 46 з.п. ф-лы, 10 табл., 7 ил.

Формула